materi ajar 5 (spektroskopi bintang)
TRANSCRIPT
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 :