materi ajar 5 (spektroskopi bintang)

DND-2004

Spektroskopi BintangSpektroskopi BintangSpektroskopi BintangSpektroskopi Bintang

DND-2004

Pembentukan Spektrum

Apabila seberkas cahaya putih dilalukan ke dalam prisma, maka cahaya tersebut akan terurai dalam beberapa warna (panjang gelombang)

RO

YG

BV

6 000 Å

5 000 Å

4 000 Å

Prisma

Spektrum

Cahaya putih

Spektrum kontinu

DND-2004

6 000 Å

5 000 Å

4 000 Å

RO

YG

BV

Spektrum

Selain dengan prisma, spektrum cahaya juga dapat diuraikan oleh kisi-kisi

Spektrum kontinu

digunakan dalam spektrograf

Kisi-kisi

Cahaya datang

DND-2004

5000 K6000 K

garis absorpsi

garis emisi

Pembentukan garis absorpsi dan emisiPembentukan garis absorpsi dan emisi

Sumber Cahaya

Gas Prisma

DND-2004

Hukum Kirchoff (1859)Hukum Kirchoff (1859)

1. Bila suatu benda cair atau gas bertekanan tinggi dipijarkan, benda tadi akan memancarkan energi dengan spektrum pada semua panjang gelombang

2. Gas bertekanan rendah bila dipijarkan akan memancarkan energi hanya pada warna, atau panjang gelombang tertentu saja. Spektrum yang diperoleh berupa garis-garis terang yang disebut garis pancaran atau garis emisi. Letak setiap garis atau panjang gelombang garis tersebut merupakan ciri gas yang memancarkannya.

DND-2004

3. Bila seberkas cahaya putih dengan spektrum kontinu dilewatkan melalui gas yang dingin dan renggang (bertekanan rendah), gas tersebut tersebut akan menyerap cahaya tersebut pada warna atau panjang gelombang tertentu. Akibatnya akan diperoleh spektrum kontinu yang berasal dari cahaya putih yang dilewatkan diselang-seling garis gelap yang disebut garis serapan atau garis absorpsi.

DND-2004

Deret BalmerDeret Balmer

Apabila seberkas gas hidrogen dipijarkan akan meman-carkan sekumpulan garis terang atau garis emisi dengan jarak antar satu dan lainnya yang memperlihatkan suatu keteraturan tertentu. Menurut Balmer (ahli fisika dari Swiss), panjang gelombang garis emisi tersebut mengiku-ti hukum

= panjang gelombang

R = suatu tetapan

n = bilangan bulat 3, 4, 5, . . . .

. . . . . . . . . . (5-1)1 1

22

1

n2= R

DND-2004

Untuk :

deret Balmer pertama : H pada = 6563 Å n = 3deret Balmer kedua : H pada = 4861 Å n = 4deret Balmer ketiga : H pada = 4340 Å n = 5deret Balmer keempat : H pada = 4101 Å n = 6

.

.

.

n = limit deret Balmer pada = 3650 Å

4 000 5 000 6 000

Å)

HHHH

DND-2004

Setelah ditemukan deret Balmer ditemukan deret hidrogen lainnya, dan persamaan deret Balmer masih tetap berlaku dengan mengubah 22 menjadi m2 dimana m adalah bilangan bulat mulai dari 1, 2, 3, . . . .

ditemukan deret deret Lyman dengan n = 2, 3, …m = 1

ditemukan deret deret Balmer dengan n = 3, 4, …m = 2

ditemukan deret deret Paschen dengan n = 4, 5, …m = 3ditemukan deret deret Brackett dengan n = 5, 6, …m = 4

. . . . . . . . . . . (5-2)1 1

m2

1

n2= R

Konstanta RydbergApabila dinyatakan dalam cm maka R = 109 678

DND-2004

DND-2004

Teori Atom Hidrogen BohrTeori Atom Hidrogen Bohr

Atom hidrogen terdiri dari inti yang bermuatan positif (proton) yang dikelilingi oleh sebuah elektron

+proton

elektron -

-

-

-

tingkat energi

Massa proton (M) >> massa elektron (me)

orbit dapat dianggap lingkaran

v = kecepatan elektronr = jarak elektron-proton

E = energi yang dipancarkan elektron

Misalkan :

-

-r

velektron berada dalam orbitnya dlm pengaruh gaya sentral yg disebabkan gaya elektrostatik

DND-2004

Energi elektron terdiri dari :

Energi kinetik (EK) dan energi potensial (EP)

Energi total elektron adalah,

E = EK + EP

Menurut Coulomb, gaya elektrostatik antara proton dan elektron adalah,

muatan elektron

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-3)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-4)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-5)e2

r2F =

12

EK = me v2

DND-2004

Supaya elektron tetap stabil dalam orbitnya, gaya elektrostatik ini harus diimbangi oleh gaya centrifugal

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-6)

Dari pers (5-5) dan (5-6) diperoleh,

Dengan mensubtitusikan pers. (5-7) ke pers. (5-4) maka energi kinetik dapat dituliskan menjadi,

. . . . . . . . . . . . . . (5-7)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-8)

Mev 2

rF =

mev2

r

e2

r2=

ev =

mer

EK = 12

me v2 = 12

e2

r

DND-2004

Energi potensial elektron dalam orbitnya adalah,

EP = e2

r2

r

dr =

e2

r

berarti tarik menarik

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-9)

Dari pers. (5-3), (5-8) dan (5-9) diperoleh,

E = = 1 2

e2

2 r

e2

2 r

e2

2 2r

. . . . . . . . . . . . . . .. . . (5-10)

Momentum sudut elektron pada orbitnya dinyatakan oleh,

H = me v r = e(mer)1/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-11)

DND-2004

Menurut Bohr, elektron hanya dapat bergerak mengelilingi proton pada orbit tertentu dan jarak orbit tersebut (r) memungkinkan momentum sudut elektron di sekitar inti mempunyai harga yang diberikan oleh kelipatan

h

2

konstanta Planck

konsep ini disebut momentum sudut yang terkuantisasi elektron terkuantisasi

Jadi menurut Bohr, momentum sudut elektron dapat dinyatakan oleh,

nh

2 H = . … . . . . . . . . . . . . . . . (5-12)

n = 1, 2, 3, . . . . = tingkat energi

DND-2004

Dari pers. (ix) dan (x) selanjutnya dapat diperoleh,

nh

2 = e(me r)1/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-13)

Karena itu radius orbit Bohr dapat dinyatakan oleh,

n2 h2

42 e2 me

r = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-14)

e = 4,803 x 10-10 statcoulomb (satuan elektrostatik)me = 9,1096 x 10-26 gr

h = 6,626 x 10-27 erg s

Jika harga-harga ini dimasukan ke pers. (xii), dan kita ambil n = 1 maka akan diperoleh,

r = 5,3 x 10-8 mm = 0,53 Å

DND-2004

Apabila harga r dalam pers. (xii) disubtitusikan le pers. ( viii), maka akan diperoleh energi orbit Bohr yaitu,

n2 h2

22 e4 me En = =

n2

13,6 eV . . . . . . . . . . . . . . . (5-15)

Untuk atom yang berada pada tingkat dasar (ground state) n = 1

E = - 13,6 eV . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-16)

melepaskan elektron

DND-2004

1234

43

2

n = 1

Diagram tingkat energi atom

En

erg

i absorpsi

emisi

Skema yang merepresentasikan tingkat energi orbit

Tingkat energi AtomTingkat energi Atom

protonh

h

DND-2004

Apabila elektron berpindah dari tingkat n ke tingkat m (m lebih tinggi daripada n), maka elektron akan kehilangan energi. Energi ini akan dipancarkan sebagai foton atau butiran cahaya dengan energi sebesar h (h adalah konstanta Planck dan adalah frekuensi foton)

1

h = Em – En = 13,6

m2

13,6

n2 m2 = 13,6 1

n2

Oleh karena = c/(c = 2,9979 x 1010 cm/s = kecepatan cahaya), = panjang gelombang , maka

1 h c

m2 = 13,6 1

n2

. (5-17)

. . . . . . . . . . . (5-18)

DND-2004

1 1 m2 =

1

n2

13,6

h c = 1

m2

1

n2 109 678

Apabila kita masukan harga c dan h maka akan diperoleh,

Konstanta Rydberg (R), apabila dinyatakan dalam cmPersamaan ini sama dengan

yang ditemukan oleh Balmer secara empiris

. . (5-19)

DND-2004

DND-2004

Fotosfer merupakan sumber spektrum kontinum

Atmosfer bintang temp. lebih dingin sehingga menyerap foton

DND-2004

Bintang

Atmosfer

A

B

Garis Absorpsi

Garis Emisi

Garis Emisi

Spektrum Kontinu

DND-2004

Spektrum BintangSpektrum Bintang

Pola spektrum bintang umumnya berbeda-beda, pada tahun 1863 seorang astronom bernama Angelo Secchi mengelompokan spektrum bintang dalam 4 golongan berdasarkan kemiripan susunan garis spektrumnya.

Miss A. Maury dari Harvard Observatory menemukan bahwa klasifikasi Secchi dapat diurutkan secara kesinambungan hingga spektrum suatu bintang dengan bintang urutan sebelumnya tidak berbeda banyak.

Klasifikasi yang dibuat oleh Miss Maury selanjutnya diperbaiki kembali oleh Miss Annie J. Cannon. Hingga sekarang klasifikasi Miss Cannon ini digunakan

DND-2004

Klasifikasi SecchiKlasifikasi Secchi Tipe1, Tipe II, Tipe III, Tipe IV, Tipe1, Tipe II, Tipe III, Tipe IV, Tipe VTipe V

Klasifikasi Miss Klasifikasi Miss A. MauryA. Maury

Kelas A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, Kelas A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P dan QK, L, M, N, O, P dan Q

Klasifikasi Miss. Klasifikasi Miss. Annie J. CannonAnnie J. Cannon

Kelas O, B, A, F, G, K, MKelas O, B, A, F, G, K, M

Perjalanan Klasifikasi Spektrum Bintang

Oh, Be, A, Fine, Girl, Kiss, Me

DND-2004

HHHHHH H He II

He I

Kls. SpekKls. Spek :: OO

WarnaWarna :: BiruBiru

TemperaturTemperatur :: > 30 000 K> 30 000 K

Ciri Utama :Ciri Utama : Garis absorpsi yang tampak sangat sedikit. Garis Garis absorpsi yang tampak sangat sedikit. Garis helium terionisasi, garis nitrogen terionisasi dua helium terionisasi, garis nitrogen terionisasi dua kali, garis silikon terionisasi tiga kali dan garis atom kali, garis silikon terionisasi tiga kali dan garis atom lain yang terionisasi beberapa kali tampak, tapi lain yang terionisasi beberapa kali tampak, tapi lemah. Garis hidrogen juga tampak, tapi lemah.lemah. Garis hidrogen juga tampak, tapi lemah.

Contoh :Contoh : Bintang 10 LacertaBintang 10 Lacerta

Klasifikasi Spektrum BintangKlasifikasi Spektrum Bintang

DND-2004

H

H

H

H

H

H

H

HeIIHeII

(Å)

Spektrum Bintang Kelas O

0

100

200

300

400

500

600

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

DND-2004

Kls. SpekKls. Spek :: BB

WarnaWarna :: BiruBiru

TemperaturTemperatur :: 11 000 – 30 000 K11 000 – 30 000 K

Ciri Utama :Ciri Utama : Garis helium netral, garis silikon terionisasi satu Garis helium netral, garis silikon terionisasi satu dan dua kali serta garis oksigen terionisasi dan dua kali serta garis oksigen terionisasi terlihat. Garis hidrogen lebih jelas daripada kelas terlihat. Garis hidrogen lebih jelas daripada kelas OO

Contoh :Contoh : Bintang Rigel dan SpicaBintang Rigel dan Spica

HHHHHH H

He I He IHe II

H

DND-2004

Spektrum Bintang Kelas B

0

50

100

150

200

250

300

350

400

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

H

H

H

H

HH

H

(Å)

H

HeI (4471)

HeI (4744)

HeI (4026)

DND-2004

Kls. SpekKls. Spek :: AA

WarnaWarna :: BiruBiru

TemperaturTemperatur :: 7 500 – 11 000 K7 500 – 11 000 K

Ciri Utama :Ciri Utama : Garis hidrogen tampak sangat kuat. Garis Garis hidrogen tampak sangat kuat. Garis magnesium silikon, besi, titanium dan kalsium magnesium silikon, besi, titanium dan kalsium terionisasi satu kali mulai tampak. Garis logam terionisasi satu kali mulai tampak. Garis logam netral tampak lemah. netral tampak lemah.

Contoh :Contoh : Bintang Sirius dan VegaBintang Sirius dan Vega

HHHHHH HH

DND-2004

Spektrum Bintang Kelas A

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

H

H

H

HHHH

(Å)

H

DND-2004

Kls. SpekKls. Spek :: FF

WarnaWarna :: Biru keputih-putihanBiru keputih-putihan

TemperaturTemperatur :: 6 000 – 11 000 K6 000 – 11 000 K

Ciri Utama :Ciri Utama : Garis hidrogen tampak lebih lemah daripada Garis hidrogen tampak lebih lemah daripada kelas A, tapi masih jelas. Garis-grais kalsium, besi kelas A, tapi masih jelas. Garis-grais kalsium, besi dan chromium terionisasi satu kali dan juga garis dan chromium terionisasi satu kali dan juga garis besi dan chromium netral serta garis logam besi dan chromium netral serta garis logam lainnya mulai terlihat.lainnya mulai terlihat.

Contoh :Contoh : Bintang Canopus dan ProyconBintang Canopus dan Proycon

HHHHHH HH

K Lines G BandH Lines

K line = Ca II (3934)H line = Ca II (3968)G Band = Molekul CH (4323)

DND-2004

Spektrum Bintang Kelas F

0

20

40

60

80

100

120

140

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

HHHHHH

(Å)

G band K+H Lines

DND-2004

Kls. SpekKls. Spek :: GG

WarnaWarna :: Putih kekuning-kuninganPutih kekuning-kuningan

TemperaturTemperatur :: 5 000 – 6000 K5 000 – 6000 K

Ciri Utama :Ciri Utama : Garis hidrogen lebih lemah daripada kelas F. Garis hidrogen lebih lemah daripada kelas F. Garis calsium terionisasi terlihat. GAris-garis Garis calsium terionisasi terlihat. GAris-garis logam terionisasi dan logam netral tampak. Pita logam terionisasi dan logam netral tampak. Pita molekul CH (G-Band) tampak sangat kutamolekul CH (G-Band) tampak sangat kuta

Contoh :Contoh : Matahari dan Bintang CapellaMatahari dan Bintang Capella

HHHHH

K Lines G Band

H LinesMg I Mg I

DND-2004

Spektrum Bintang Kelas G

0

20

40

60

80

100

120

140

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

HHHH

H

(Å)

G band

K+H Lines

Mg IMg I

DND-2004

Kls. SpekKls. Spek :: KK

WarnaWarna :: Jingga kemerah-merahanJingga kemerah-merahan

TemperaturTemperatur :: 3 500 – 5000 K3 500 – 5000 K

Ciri Utama :Ciri Utama : Garis logam netral tampak mendominasi. Garis Garis logam netral tampak mendominasi. Garis hidrogen lemah sekali. Pita molekul TiO mulai hidrogen lemah sekali. Pita molekul TiO mulai tampaktampak

Contoh :Contoh : Bintang Acturus dan AldebaranBintang Acturus dan Aldebaran

H(sudah tidak tampak)

K Lines G Band

H(tidak tampak)

H LinesCa I (4227)

Mg I Mg I

DND-2004

Spektrum Bintang Kelas K

0

20

40

60

80

100

120

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

HHHH

(Å)

G band

H Lines

Ti O

Fe I Mg I Mg I

K Lines

Ca I

DND-2004

Kls. SpekKls. Spek :: MM

WarnaWarna :: MerahMerah

TemperaturTemperatur :: 2 500 – 3 000 K2 500 – 3 000 K

Ciri Utama :Ciri Utama : Pita molekul Tio ( titanium oksida) terlihat sangat Pita molekul Tio ( titanium oksida) terlihat sangat mendominasi, garis logam netral juga tampak mendominasi, garis logam netral juga tampak dengan jelas.dengan jelas.

Contoh :Contoh : Bintang Betelgeues dan AntaresBintang Betelgeues dan Antares

Hidak tampak

Ca I (4227)K Lines

G BandH Lines

Ti O Ti O Ti O Ti OMg I

DND-2004

Spektrum Bintang Kelas M

0

50

100

150

200

250

300

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

(Å)

Ti OTi O

Ti OTi O

Mg I

Ca I

DND-2004

OO 50 000 50 000 ooKK

BB 20 000 20 000 ooKK

AA 10 000 10 000 ooKK

FF 7 500 7 500 ooKK

GG 6 000 6 000 ooKK

KK 4 000 4 000 ooKK

MM 3 500 3 500 ooKK

Urutan Kelas Spektrum BintangUrutan Kelas Spektrum Bintang

DND-2004

SubkelasSubkelas

Klasifikasi spektrum bintang O, B, A, F, G, K, M masih dibagi lagi dalam subkelas, yaitu

B0, B1, B2, B3, . . . . . . . . ., B9

A0, A1, A2, A3, . . . . . . . . ., A9

F0, F1, F2, F3, . . . . . . . . . ., F9...

dst

DND-2004

Spektrum Bintang Subkelas V

O5 V

B0 V

B5 V

A1 V

A5 V

F0 V

F5 V

G0 V

G4 V

K0 V

K5 V

M0 V

M5 V

HHHHHH

DND-2004

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

HHHHHH

O5O7-B0

B3-4

B6

A1-3

A5-7

A8

A9-F5F6-7

F8-9

G1-2

G6-8G9-K0

HIn

ten

sita

s R

elat

if

Spektrum Bintang Deret Utama Kelas O-K

Panjang Gelombang (Å)

DND-2004

Spektrum Bintang Deret Utama Kelas K-M

K4

Hsudah tidak tampak

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsi

tas

Re

lati

f

K5

M2

M4

Ti O

(Å)

DND-2004

HH

H

H

HHe II

H

Profil P-Cygi (Inverse)

Spektrum Bintang Dengan Garis EmisiSpektrum Bintang Dengan Garis Emisi

DND-2004

M-K KelasM-K Kelas

Bintang dalam kelas spektrum tertentu ternyata dapat mempunyai luminositas yang berbeda. Pada tahun 1913 Adam dan Kohlscutter di Observatorium Mount Wilson menunjukkan ketebalan beberapa garis spektrum dapat digunakan untuk menentukan luminositas bintang

Berdasarkan kenyataan ini pada tahun 1943 Morgan dan Keenan dari Observatorium Yerkes membagi bintang dalam kelas luminositas yaitu

DND-2004

Kelas IaKelas Ia Maharaksasa yang sangat terangMaharaksasa yang sangat terang

Kelas IbKelas Ib Maharaksasa yang kurang terangMaharaksasa yang kurang terang

Kelas IIKelas II Raksasa yang terangRaksasa yang terang

Kelas III Kelas III RaksasaRaksasa

Kelas IVKelas IV SubraksasaSubraksasa

Kelas VKelas V Deret utamaDeret utama

Kelas Luminositas Bintang dari Morgan-Keenan (MK) digambarkan dalam diagram Hertzprung-Russell (diagram H-R)

Kelas Luminositas Bintang (Kelas MK)

DND-2004

Kelas Luminositas Dalam Diagram HR

DND-2004

Diagram HRDiagram HR

DND-2004

G2 V : Bintang deret utama kelas spektrum G2

Klasifikasi spektrum bintang sekarang ini merupakan penggabungan dari kelas spektrum dan kelas luminositas.

G2 Ia : Bintang maharaksasa yang sangat terang kelas spektrum G2

B5 III : Bintang raksasa kelas spektrum B5

B5 IV : Bintang subraksasa kelas spektrum B5

Contoh :