spektrum zn

Prosiding Seminar Kontribusi Fisika 2011 (SKF 2011)1-2 Desember 2011, Bandung, Indonesia

ISBN 978-602-19655-1-1 Halaman 66 dari 216

Spektroskopi Sederhana Menggunakan Keping DVDHerfien Rediansyah*, Budi Sigit Purwono, Enjang Jaenal Mustopa

AbstrakTujuan dari penelitian ini adalah merancang alat spektroskopi sederhanamenggunakan kotak karton, keping DVD, kamera saku digital, dan software MATLAB.DVD digunakan sebagai kisi difraksi dan kamera sebagai sensor cahaya. Spektrumwarna yang ditangkap sebagai gambar oleh kamera dikalibrasi menggunakan datapanjang gelombang dari referensi. Hasil percobaan menunjukkan perbedaan nilai dengan referensi sebesar persentase rata-rata 6.81 %. Perbedaan nilai eksperimendan referensi kemungkinan berasal dari spektrum warna yang terlalu rapat.Kata-kata kunci: Spektroskopi, DVD, spektrum warna, konversi gambar, panjanggelombangPendahuluan

Gejala spektrum warna yang tampak pada kehidupan sehari-hari dapat secaralangsung menarik perhatian siswa untuk mempelajari cahaya dan warna. Spektrumwarna tersebut dapat diamati menggunakan metode spektroskopi. Beberapa contohspektroskop sederhana dan metode demonstrasi eksperimen telah dipublikasikan dandapt dilakukan di kelas-kelas (F Wakabayahi, Hamada K, 2006, Wesra T M, 2007,Widiatmoko E et al, 2011) . Spektroskopi sederhana dapat menggunakan compactdisc (CD) maupun digital versatile disks (DVD) karena keduanya memiliki kisi-kisi yangsangat rapat. CD memilki ukuran kisi 625 garis/mm sedangkan DVD 1350 garis/mm.DVD lebih dipilih untuk menghindari efek blur dan menjangkau panjang gelombangspektrum yang lebih besar.

Spektrum-spektrum warna yang muncul merupakan kuantum-kuantum radiasi ataupartikel-partikel yang dipancarkan ketika atom mengalami transisi energi. Transisi daritingkat energi yang tinggi ke tingkat energi yang rendah dapat terjadi untuk sistemyang terisolasi, dan semakin besar kebolehjadian transisi spontan ini semakin pendekumur tingkat energi tersebut. Selama transisi spontan tersebut suatu kuantum radiasiatau satu atau lebih partikel dipancarkan dengan membawa energi kuantum radiasicahaya yang dipancarkan oleh atom tersebut. Spektroskopi dapat menentukan nilaienergi cahaya yang dipancarkan oleh atom-atom secara akurat.

Pada kisi DVD (d) yang dikenakan cahaya polikromatik dengan panjang gelombangyang diketahui () dan memilki sudut datang (i) dan sudut cahaya terdifraksi (m) padaorde ke-m seperti ditunjukkan pada Gambar 1.Hubungan antara d , , ,m memenuhi persamaan berikut,

)sin(sin imdm (1)

RBL01



Gambar 1. Skema difraksi oleh kisiMetode

Alat spektroskopi yang digunakan terbuat dari kotak karton seperti yang digunakanoleh F Wakabayahi, Hamada K, 2006. Kotak berbentuk balok dengan ukuran panjang12 cm, lebar 6 cm dan tinggi 12 cm. Kotak memiliki tiga lubang yakni lubang kisi(celah sempit, 1 mm) tempat masuknya cahaya, lubang tempat menaruh DVD(membentuk sudut 60o), dan lubang tempat mengamati spektrum cahaya.

Gambar 2. Desain Kotak Karton [2].Lampu atom yang digunakan ada 4 (empat) yaitu helium, merkuri, cadnium, seng

ditambah dengan 1 lampu neon untuk mengamati spektrum kontinu. Berikut daftar alatpercobaan yang digunakan :Kotak kartonKeping DVDPembungkus keping DVDLampu Atom OSRAM Pico 9 (He, Hg, Cd, Zn) 15 W 1ALampu Neon 23 W PhillipsRumah lampu atom OSRAMTranformator lampu atomKamera Digital Canon A100 5 megapikselSoftware MATLAB



Gambar 3. Alat eksperimenGambar spektrum atom yang diambil dengan kamera selanjutnya diolah

menggunakan software MATLAB. Gambar dalam format JPEG diubah ke matriks RGBmenggunakan perintah IMREAD. Matriks RGB diubah menjadi matriks Grayscalemenggunakan perintah RGB2GRAY. Dari matriks Grayscale akan didapatkan nilaipixel tiap puncak grafik matrik tersebut yang akan dikalibrasi dengan nilai panjanggelombang () berdasarkan data referensi (Physics of the Electron, Physical Structureof Matter, 2000).

Gambar 4. Skema alat eksperimenHasil dan Pembahasan

Pengambilan data dilakukan dengan memperhatikan jarak sumber cahaya dengankotak karton untuk menghindari efek blur pada kamera. Berdasarkan hasilpengamatan sumber cahaya harus diletakkan sekitar 25 cm dari kotak karton. Sudutdatang cahaya (i) pada DVD adalah 60o.Spektrum Cahaya

Lampu atom yang digunakan adalah He, Hg, Cd, dan Zn untuk menampilkanspektrum diskrit. Dengan tambahan lampu tabung Neon (Ne) untuk menghasilkanspektrum kontinu. Berikut adalah spektrum-spektrum cahaya yang didapatkan daripercobaan :



(a) (b)

(c) (d)

(e)Gambar 5. Gambar spektrum cahaya diambil menggunakan kamera digital Fuji A100dengan ukuran gambar 5 megapiksel : (a) lampu atom atom Helium, (b) lampu atomMerkuri, (c) lampu atom Cadnium, (d) lampu atom Seng, dan (e) lampu tabung Neon

Phillips 23 W (gambar telah diperkecil dan dipotong).Spektrum cahaya pada Gambar 5 menunjukkan adanya perbedaan warna-warna

yang muncul dari lampu-lampu atom setelah melewati kisi-kisi pada keping DVD.



Perbedaan spektrum warna ini berasal dari energi yang dipancarkan oleh elektron-elektron terluar ketika berpindah orbit ke orbit yang lebih dalam . Hal ini dapat terjadikarena atom yang berasal dari lampu atom dipaksa untuk melewati kisi-kisi yangjaraknya sangat rapat sehingga ketika atom tersebut berusaha melewati kisi dengancara mengeluarkan energi kuantum. Energi tersebut memiliki frekuensi dan panjanggelombang. Panjang gelombang inilah yang ditangkap sebagai spektrum warna.Spektrum warna dimulai dengan energi terbesar (panjang gelombang terkecil) sampaienergi terkecil (panjang gelombang terbesar).Konversi Gambar

Gambar spektrum selanjutnya akan dikonversi ke Grayscale karena dalam formatRGB kamera dengan kemampuan piksel tertentu tidak dapat menangkap panjanggelombang warna tertentu pula. Kalibrasi piksel ke panjang gelombang dengan caramengambil salah satu data spektrum warna dalam hal ini spektrum Helium. Hasilkonversi RGB ke Grayscale dapat dilihat seperti gambar berikut :

Gambar 6. Spektrum Helium dalam format GrayscaleDari gambar tersebut dapat diperoleh nilai intensitas piksel tiap warna. Nilai

intensitas piksel warna tertinggi akan dikonversi menjadi nilai panjang gelombangberdasarkan data referensi (Physics of the Electron, Physical Structure of Matter,2000). Hasil konversi tersebut dapat menghasilkan persamaan regresi linier yangdapat digunakan untuk menghitung panjang gelombang spektrum warna unsur lain jikapiksel warna tersebut diketahui.

Gambar 7. Intensitas piksel spektrum warna HeliumData pada Tabel.1 dapat digambarkan sebagai grafik fungsi linier sehingga akan

didapatkan persamaan regresi linearnya.:

nmxy 1.439131.1 (2)



Tabel.1 Konversi piksel ke panjang gelombang lampu atom HeliumSpektrum Warna Piksel (nm)

biru 10 471.3biru 18 447.1biru 27 438.8hijau 36 504.8hijau 44 492.2kuning 132 587.6merah 202 667.8merah 211 656merah 221 706.5

Gambar 8. Grafik panjang gelombang terhadap piksel (Helium)Dari grafik diatas didapatkan persamaan umum yang dapat digunakan untuk

menghitung panjang gelombang spektrum warna jika nilai piksel diketahui.Persamaan (2) digunakan untuk mengkonversi nilai piksel menjadi panjang gelombanguntuk spektrum Hg, Cd, dan Zn.

Tabel 2. Perbandingan data hasil eksperimen dengan referensiLampu Atom Spektrum Warna (nm) eksperimen (nm) referensi

Hg

biru 472 435biru hijau 487 492biru hijau 499 496hijau 515 548kuning 586 578merah 622 608merah 663 611merah 691 624



Cd

biru 474 474biru 491 491hijau 542 543hijau 564 565merah 683 687merah 700 704

Zn

biru 534 468biru 539 472biru 552 481hijau 588 508hijau 593 519hijau 597 534kuning 644 579kuning 661 589merah 683 636

Tabel.2 menunjukkan adanya perbedaan nilai panjang gelombang antara hasileksperimen dengan data referensi. Perbedaan ini kemungkinan disebabkan karenaketerbatasan alat percobaan seperti kemampuan piksel kamera digital yang tidakterlalu besar spektrum warna yang difoto tidak terlalu jelas. Desain kotak karton yangcukup kecil ternyata menghasilkan foto spektrum yang cukup rapat. Spektrum yangrapat mengakibatkan kesulitan ketika menganalisa nilai piksel tiap spektrum padagrafik intensitas piksel. Salah satu contoh spektrum yang tidak terlalu rapat telahdilakukan oleh Widiatmoko dkk [4].Kesimpulan

Spektroskopi sederhana telah berhasil dirancang dan diuji menggunakan kotakkarton, keping DVD, kamera digital dan software MATLAB. Kelebihan dari alat iniaadalah mudah digunakan dan tidak terlalu mahal. Hasil data percobaan menunjukkanspektrum-spektrum cahaya dari lampu atom He, Hg, Zn, dan Cd berupa sektrum diskritdan lampu Neon menghasilkan spektrum kontinu. Gambar spektrum berupa formatdigital dikonversi ke nilai panjang gelombang menggunakan software MATLAB. Hasilkonversi menunjukkan perbedaan nilai panjang gelombang dengan data referensi. Halini kemungkinan disebabkan spektrum yang dihasilkan terlalu rapat sehingga kesulitanuntuk menentukan piksel warna secara tepat.Ucapan Terima Kasih

Kepada Dr. Nenny Kurniasih dan Dr Euis Sustini yang telah membantu dalam haldana penelitian dan sarana prasarana penelitian. Dr Enjang Jaenal Mustopa yangtelah banyak memberikan saran dan bimbingan selama proses penelitian ini. AlmasHilman yang telah membantu dalam pemprogaman software MATLAB.



Referensi[1] Physics of the Electron, Physical Structure of Matter, 2000, Fine structure, one-

electron and two-electron spectra, PHYWE series of publications LaboratoryExperiments, PHYWE SYSTEME GMBH & Co. KG D-37070 Gottingen

[2] Wakabayashi F and Hamada K, 2006, A DVD spectroscope: a simple, high-resolution classroom spectroscope J. Chem. Educ.83 568

[3] Westra T M, 2007, A fresh look at light: build your own spectrometer Science inSchool Issue 4 : Spring

[4] Widiatmoko E et al, 2011, A simple spectrophotometer using common materialsand a digital camera Phys Edu. 46 332

[5] Tim Penyusun. 2011.Modul Praktikum FISIKA I. Program Studi Fisika ITB :Bandung

Herfien Rediansyah*Magister Pengajaran Fisika 2011Institut Teknologi [email protected]

Budi Sigit PurwonoMagister Pengajaran Fisika 2011Institut Teknologi [email protected]

Enjang Jaenal MustopaPhysics of Complex System DivisionInstitut Teknologi [email protected]

*Corresponding author

spektrum zn

Documents