Laporan Eksperimen Fisika Spektrum Garis Berbagai Jenis Atom

SPEKTRUM GARIS BERBAGAI JENIS ATOM

(TEORI ATOM BOHR)

Heri Setiawan, Alimuddin Hamzah P., Anuhgraini Jumaru, Nurfadia Adlina, Nur Fitrah H, Yuliastuti

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA

Universitas Negeri Makassar

Abstrak. Telah dilakukan spectrum garis berbagai jenis atom dengan prinsip teori atom Bohr. Tujuan praktikum ini adalah untuk menentukan panjang gelombang spectrum garis atom gas mulia dan logam.Praktikum dilakukan dengan menggunakan tiga gas, yakni gas helium, neon dan natrium. Pengambilan data dilakukan dengan cara menghimpitkan garis vertical pada spectrometer dengan garis warna yang terbentuk kemudian mengukur sudut yang dibentuk melalui skala pada spectrometer. Berdasarkan hasil pengamatan diperoleh bahwa setiap atom memancarkan spektrum warna yang  berupa garis diskrit yang terdiri atas deretan warna yaitu ungu, nila, biru, hijau, kuning, jingga, dan merah. Hasil analisis data menunjukkan bahwa panjang gelomabang spektrum warna tersebut berturut-turut adalah ; ; ; ; ; ; . Untuk pengamatan interval spektrum garis warna kuning yang pada atom Na diperoleh pada orde pertama; sedangkan pada orde kedua sebesar 29,04 nm. Adanya perbedaan yang diperoleh antara teori dan eksperimen yang disebabkan karena kurang telitinya praktikan dalam pengamatan spektrum warna serta seringnya pemadaman lampu secara tiba-tiba sehingga mempengaruhi data yang diperoleh.

KATA KUNCI: spektrum garis atom, teori atom Bohr, panjang gelombang, sudut angular.

PENDAHULUAN

Spektrum emisi yang dapat dihasilkan suatu atom dapat diamati dengan menggunakan alat spektrometer, Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Adanya spektrum garis yang dihasilkan setiap unsur yang terdiri atas deretan warna dengan panjang gelombang yang berbeda-beda pertama kali diamati pada gas hidrogen oleh Niels Bohr. Pada tahun 1900, J.J Thomson mengajukan model atom yang menyerupai roti kismis. Menurut Thomson, atom terdiri dari materi bermuatan positif dan didalamnya tersebar elektron bagaikan kismis dalam rotikismis. [1]

Ernest Rutherford telah dapat menunjukkan bahwa atom terdiri dari sebentuk awan difus elektron bermuatan negatif mengelilingi inti yang kecil, padat, dan bermuatan positif dengan elektron-elektron mengorbit inti seperti layaknya planet mengorbit matahari. Namun demikian, model sistem keplanetan untuk atom menemui beberapa kesulitan. Pada tahun 1913, Niels Bohr, fisikawan berkebangsaan Swedia, mengikuti jejak Einstein menerapkan teori kuantum untuk menerangkan hasil studinya mengenai spektrum atom hidrogen. Bohr mengemukakan teori baru mengenai struktur dan sifat-sifat atom. Teori atom Bohr ini pada prinsipnya menggabungkan teori kuantum Planck dan teori atom dari Ernest Rutherford yang dikemukakan pada tahun 1911[1].

Jika sebuah gas diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrik dialirkan ke dalam tabung, gas akan memancarkan cahaya. Cahaya yang dipancarkan oleh setiap gas berbeda-beda dan merupakan karakterisktik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinyu. Kenyataan bahwa gas memancarkan cahaya dalam bentuk spektrum garis diyakini berkaitan erat dengan struktur atom. Dengan demikian, spektrum garis atomik dapat digunakan untuk menguji kebenaran dari sebuah model atom. [1]

Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang merupakan atom yang paling sederhana, deret panjang gelombang ini ternyata mempunyai pola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan matematis. Spektrum garis atom hidrogen berhasil dijelaskan oleh Niels Bohr, pada tahun 1913, kemampuan teori atom Bohr menerangkan asal-usul garis spektrum merupakan salah satu hasil yang menonjol, sehingga teori ini diterapkan pada spektrum atomik[1].

Fisika Kalasik gagal dalam menerangkan spektrum atom. Dari spektrum atom Hidrogen maka dapat dirumuskan secara ekstrapolasi atau pengepasan (fitting) bahwa:

Dimana R adalah tetapan Rydberg. [2]

Adapun kelemahan dari atom Bohr adalah Lintasan electron dalam mengelilingi inti atom ternyata sangat rumit, bukan merupakan lintasan orbital berupa lintasan saja; Model atom Bohr hanya dapat menjelaskan model atom hydrogen karena struktur atomnya sedrhana, sedangkan untuk atom berelektron banyak sukar untuk dijelaskan; tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom; serta tidak dapat menerangkan dengan baik peristiwa dalam ikatan kimia yang terjadi. [3]

Eksperimen ini selanjutnya dilakukan untuk melakukan pengamatan terhadap spektrum garis yang dihasilkan dari berbagai jenis atom gas mulia dan gas logam serta menentukan panjang gelombang dari setiap spektrum garis yang dihasilkan atom-atom tersebut, beberapa atom yang diamati spektrumnya yaitu Helium (He), Neon (Ne) dan Natrium (Na).

Pengamatan dilakukan dengan menggunakan spektrometer optik dan kisi untuk mengetahui besarnya sudut yang dibentuk setiap spketrum warna yang akan dianalisis untuk memperoleh panjang gelombang dari setiap deretan warna spektrum garis yang dihasilkan atom tersebut.

Bahasan kita tentang spektrum pancar dan serap atom dan model atom Bohr di atas tidaklah lengkap tanpa pemahaman mengenai terjadinya semua spektrum ini. Bohr mempostulatkan bahwa meskipun electron tidak memancarkan radiasi electromagnet ketika beredar pada suatu tingkat tertentu, ia dapat berpindah dari satu tingkat ke tingkat yang lain yang lebih rendah. Pada tingkat yang lebih rendah, energy yang dimiliki electron lebih rendah dari tingkat sebelumnya. Beda energy ini muncul sebagai sebuah kuantum radiasi berenergi hv yang sama besar dengan beda energy antara kedua tingkat tersebut. Artinya, jika electron melompat dari n=n₁ ke n=n₂ maka terpancar sebuah foton dengan energy Tetapan R_∞ disebut tetapan Rydberg, bernilai 1,0973731 x 10^-7 m^-1. [4]

TEORI

Jika gas mulia dan uap logam yang bertekanan rendah (di bawah tekanan atmosfer) dieksitasi, radiasi yang dipancarkan mempunyai spektrum yang berisi panjang gelombang tertentu saja. Setiap unsur memperlihatkan spektrum garis yang unik. Spektrometer optik dapat dipakai untuk menentukan panjang gelombang spektrum garis dari atom gas mulia dan uap logam. [5]

Kisi digunakan untuk memisahkan garis spektrum. Cahaya terdifraksidikisi, panjang gelombang yang sama mengalami superposisi dan menghasilkan intensitas maksimum. Hubungan antara difraksi dan panjang gelombang adalah  linear (sin α ~ λ) pada  spektrum normal. Kita dapat menentukan panjang gelombang yang datang dari suatu cahaya yang melalui kisi dengan menggunakan spektrometer. Persamaan untuk menentukan panjang gelombang spektrum garis adalah

                                 

Dengan : n  = Orde Spektrum,  = jumlahsudut antara garis spektrum kanan dan kiri, N  = jumlah gariskisi yang digunakan, dan λ = panjang gelombang. [5]

GAMBAR 1. Skema diagram untuk defenisi sudut

Untuk menghitung interval dua garis, diberikan contoh data hasil percobaan difraksi pada n=1 dan n=2 untuk garis-D sodium sebagai berikut:

TABEL 1. Sodium D-Lines, hasil pengukuran difraksi untuk n=1 dan n=2

Line	N		λ5706/cm nm
D1	1	39.3000	589.33
	2	84.5420	589.41
D2	1	39.2500	588.61
	2	84.4250	588.74

Berdasarkan tabel 4.1, diketahui interval antara dua warna kuning Sodium D-Lines dengan nilai Δλ = 0,72 nm (diukur pada n=1) dan Δλ = 0,67 nm (diukur pada n=2). Nilai rata-ratanya adalah λ(D₁) – λ(D₂) = 0,70 nm[4]

METODOLOGI EKSPERIMEN

Alat yang digunakan pada eksperimen ini yaitu: Spektrometer optik, Kisi Rowland, Transformer, 6 V AC, 12 V Ac dan Universal Choke, 230 V, 50 Hz. Sedangkan bahan yang digunakan yaitu: Spektrum lampu He, Na, dan Ne.

Metode penelitian dilakukan dengan melakukan pengaturan atau penyetelan pada spektrometer optik sebelum digunakan, selanjutnya dilakukan dua kali pengamatan yaitu: pertama, untuk menentukan spektrum garis He dan Ne dan kedua, untuk Menentukan interval antara dua baris Na-D

 

GAMBAR 2.Rangkaian percobaan spektrum garis berbagai jenis atom

Pertama,  untuk menentukan spektrum garis He, dilakukan dengan memutar bagian teleskop pada spektrometer optik ke arah kanan secara perlahan sehingga teramati garis warna pertama pada orde 1 (n = 1). Kemudian mengimpitkan tanda benang vertikal pada teleskop dengan garis warna pertama dan membaca penunjukan skala pada spektrometer sebagai θ _kanan ,dengan prosedur kerja yang sama mengamati garis-garis warna berikutnya pada orde yang sama dan garis-garis warna berikutnya pada orde 2 (n=2) serta mencatat setiap penunjukan skalanya sebagai θ _kanan .

Selanjutnya memutar teleskop pada spektrometer optik secara perlahan ke arah kiri dan mengulangi prosedur kerja yang sama seperti pada pembacaan θ _kanan serta membaca masing-masing penunjukan skala pada spektrometer sebagai θ _kiri , untuk pengamatan spektrum garis Ne dilakukan dengan mengganti spektum lampu He dengan spektrum lampu Ne dan mengulangi prosedur kerja yang sama saat pengamatan spektrum garis He.

Kedua, untuk Menentukan interval antara dua baris Na-D dilakukan dengan menganti lampu Ne dengan lampu Na. Kemudian memutar teleskop ke arah kanan sampai teramati garis warna kuning pada orde 1 dan orde 2 serta membaca masing-masing penunjukan skala pada spektrometer sebagai θ_kanan, selanjutnya memutar teleskop ke arah kiri sehingga teramati garis warna kuning pada orde 1  dan orde 2 serta membaca masing-masing  penunjukan skala pada spektrometer sebagai θ_kiri .

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA

Hasil Pengamatan

NST Spektrometer = 1/60^o = 0,02^o

N = 600 lines/mm = 6 x 10^-4 lines/nm

Kegiatan Pertama

TABEL 2.Hubungan antara warna spektrum dan jumlah sudut antara garis spektrum kanan dan kiri atom Helium (He)

Orde spektrum	Warna spektrum	θkanan   (ᵒ)	θkiri (ᵒ)	∆α(ᵒ)
	Ungu	15,55	15.55	31.10
	Nila	16,28	15.92	32.20
	Biru	16.98	16.58	33.56
1	Hijau	18.12	17,37	33.49
	Kuning	-	-	-
	Jingga	21.18	20.67	41.85
	Merah	24.28	23.62	47.90
	Ungu	28.78	32.43	61.21
	Nila	-	-	-
	Biru	33.98	34.37	68.35
2	Hijau	38.38	36.78	75.16
	Kuning	46.25	44.15	90.40
	Jingga	-	-	-
	Merah	55.83	52.52	108.35

TABEL 3. Hubungan antara warna spektrum dan jumlah sudut antara garis spektrum kanan dan kiri atom Ne

Orde spektrum	Warna spektrum	θkanan   (ᵒ)	θkiri (ᵒ)	∆α(ᵒ)
	Ungu	15.70	17.42	33.12
	Nila	16.28	18.45	34.73
	Biru	17.75	19.13	36.88
1	Hijau	18.77	19.28	38.05
	Kuning	20.98	20.92	41.90
	Jingga	21.53	21.78	43.30
	Merah	22.92	22.63	45.55
	Ungu	-	-	-
	Nila	-	-	-
	Biru	-	-	-
2	Hijau	-	-	-
	Kuning	-	-	-
	Jingga	-	-	-
	Merah	-	-	-

Kegiatan Kedua

TABEL 4. Hubungan antara sudut dan panjang gelombang Atom Na

Line	n		λ (10-9 m)
D1 (kanan)	1	20.58	585.86
	2	43.67	575.42
D2 (kiri)	1	21.40	608.13
	2	47.18	611.24

Analisis Data

Menentukan panjang gelombang digunakan persamaan:

Dimana:

Maka:

Karena garisnya terbagi atas 2, maka:

α= ¹ + ²

Kegiatan pertama

a)    Lampu Helium (He)

Orde 1

·      Ungu

446.80 nm

·      Nila

462.61 nm

·      Biru

481.16 nm

·      Hijau

507.97 nm

·      Jingga

595.24 nm

·      Merah

676.57 nm

Orde 2

·      Ungu

424.26 nm

·      Biru

468.10 nm

·      Hijau

508.22 nm

·      Kuning

591.31 nm

·      Merah

675.67 nm

b)   Lampu Neon (Ne)

Orde 1

·      Ungu

 475.03 nm

·      Nila

 nm

·      Biru

nm

·      Hijau

nm

·      Kuning

nm

·      Jingga

 nm

·      Merah

 nm

Kegiatan kedua

a)   Orde 1

b)   Orde 2

 =

 =

 = 29.04 nm

Pembahasan

            Pada percobaan ini memiliki tujuan untuk menetukan panjang gelombang spectrum garis atom gas mulia dan logam. Dimana pada percobaan ini digunakan tiga senyawa saja yakni He, Na, dan Ne. adapun metodologi dasar yang digunakan dalam percobaan ini yakni membuktikan kemampuan teori atom Bohr yang menerangkan asal-usul garis spectrum merupakan salah satu hasil yang menonjol, sehingga ini akan diterapkan pada spectrum atomik.

Pada percobaan spektrum garis yang telah kami lakukan di sini menggunakan kisi Rowland yang berfungsi sebagai alat untuk mendifraksikan pancaran cahaya dari gas mulia dan uap logam  pada percobaan atau dengan kata lain digunakan untuk memisahkan garis spektrum dari gas mulia maupun logam yang digunakan. Pada percobaan ini juga digunakan sumber tegangan dari transformer dengan arus AC dan tegangan 6 volt. Adapun spektrometer optik yang merupakan salah satu komponen alat yang sangat penting dalam percobaan ini dikarenakan alat ini dapat dipakai untuk menentukan panjang gelombang spektrum garis dari atom gas mulia dan uap logam.

Karena pada percobaan ini digunakan    Percobaan spektrum garis berbagai jenis atom yang mengacu pada teori atom Bohr, dimana atom yang digunakan yaitu gas mulia atom helium, natrium dan neon maka gas mulia dan uap logam yang bertekanan rendah di bawah tekanan atmosfer dieksitasi, kemudian radiasi yang dipancarkan mempunyai spektrum yang berisi panjang gelombang yang berbeda-beda begitupun warna dari spektrum garis yang nampak sewaktu percobaan adapun warna yang nampak pada percobaaan yakni ungu, nila, biru, hijau, kuning, jingga, dan merah. Warna inilah yang praktikan dapatkan pada percobaan yang teramati di lensa pengamatan pada alat spectrometer. Pada tabel hasil analisis data diperoleh panjang gelombang untuk setiap spektrum warna. Adapaun hasil analisis yang praktikan dapatkan dari hasil pengamatan yakni untuk panjang gelombang He didapatkan berturut-turut dari warna ungu, nila, biru, hijau, jingga, dan merah pada orde pertama yakni 446,80 nm, 462,60 nm, 481,16 nm, 507, 97 nm, 595,24 nm, dan 676,57 nm. Untuk orde ke dua berturut-turut ungu, nila, biru, kuning, hijau, jingga, dan merah yakni 457,52 nm, 479,05 nm, 499,19 nm, 710,56 nm, 590,28 nm, 662,15 nm, 668,15 nm sedangkan untuk Ne didapatkan berturut-turut dari warna ungu, nila, biru, hijau, kuning, jingga, dan merah pada orde pertama yakni 475,03 nm, 497,43 nm, 527,19 nm, 543,30 nm, 595,92 nm, 615,03 nm, 645,19 nm. Untuk orde ke dua pada gas Ne pada percobaan kami tidak memperoleh data apapun.

Sedangkan pada kegiatan gas Na dari hasil analisis kita peroleh inteval yakni untuk ordepertama sebesar 22,27 nm dan pada orde kedua sebesar 29,04 nm.

Adapun panjang gelombang yang praktikan dapatkan pada percobaan spektrum garis ini, terjadi sedikit penyimpangan dari teori yang ada untuk beberapa panjang gelombang tertentu namun penyimpangannya itu tidak terlalu jauh, sehingga masih mendakati nilai teori yang ada. Hal ini mungkin disebakan kurangnya ketelitian praktikan dalam menentukan jumlah sudut antara garis spektrum kanan dan kiri pada percobaan. Perbandingan antara secara teori dan eksperimen dapat kita lihat pada table di bawah ini:

TABEL 5. Analisis perbandingan panjang gelombang secara eksperimen dan referensi

No		Warna spektrum
1	Ungu				400 nm
2	Nila				445 nm
3	Biru				475 nm
4	Hijau				510 nm
5	Kuning				570 nm
6	Jingga				590 nm
7	Merah				650 nm

*catatan: Panjang gelombang spektrum warna berdasarkan eksperimen diperoleh dari rata-rata spektrum warna pada setiap orde lampu He dan Ne.

Selain adanya perbedaan antara nilai teori dan  eksperimen, juga terdapat beberapa kesalahan yang terjadi pada proses pengamatan spektrum yang di mana pada pengamatan gas Na pada orde pertama tidak terdapatnya warna kuning pada deretan spektrum warnanya, sedangkan pada orde 2 warna nila dan jingga yang tidak Nampak pada deretan spektrum warna sedangkan yang lain terlihat. Untuk gas Ne pada orde kedua sama sekali tidak ada warna yang terlihat. Hal ini disebabkan karena praktikkan kurang dalam mengamati spektrum garisnya, kendala lain yang mungkin penyebabnya karena pada saat pengambilan data sering terjadi pemadaman lampu secara tiba-tiba sehingga mempengaruhi data yang diperoleh.

KESIMPULAN

Berdasarkan tujuan dan analisis data yang praktikan dapatkan dalam laporan ini  maka panjang gelombang spektrum garis atom gas mulia He didapatkan berturut-turut dari warna ungu, nila, biru, hijau, jingga, dan merah pada orde pertama 446,80 nm, 462,60 nm, 481,16 nm, 507, 97 nm, 595,24 nm, dan 676,57 nm. Untuk orde ke dua berturut-turut ungu, nila, biru, kuning, hijau, jingga, dan merah yakni 457,52 nm, 479,05 nm, 499,19 nm, 710,56 nm, 590,28 nm, 662,15 nm, 668,15 nm sedangkan untuk Ne didapatkan berturut-turut dari warna ungu, nila, biru, hijau, kuning, jingga, dan merah pada orde pertama yakni 475,03 nm, 497,43 nm, 527,19 nm, 543,30 nm, 595,92 nm, 615,03 nm, 645,19 nm. Untuk orde ke dua pada gas Ne pada percobaan kami tidak memperoleh data apapun. Sedangkan pada kegiatan gas Na dari hasil analisis kita peroleh inteval yakni untuk ordepertama sebesar 22,27 nm dan pada orde kedua sebesar 29,04 nm.

REFERENSI

[1]Beiser, Arthur. 1995. Konsep Fisika Modern. Erlangga: Jakarta.

[2]Daud, M. Jasruddin. 2005. Pengantar Fisika Moder. Badan Penerbit UNM: Makassar

[3]Gamma D. Alfaro. 2013. Mantap Kuasai Konsep Fisika.  Penerbit Andi: Yogyakarta.

[4]Krane, K. 1992. Fisika Modern (terjemahan). Jakarta : Universitas Indonesia.

[5]Subaer, dkk. 2014. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM. Universitas Negeri Makassar: Makassar.