MODUL 05

SPEKTRUM ATOM dari DUA ELEKTRON : He, Hg Indah Darapuspa, Rizky Budiman,Tisa I Ariani, Taffy Ukhtia P, Dimas M Nur

10211008, 10211004, 1021354, 10213074, 10213089

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia

E-mail: darapuspa.indah@gmail.com

Asisten: Retno Dwi Wulandari / 10212069

Tanggal Praktikum: 11-11-2015

Abstrak

Setiap atom memiliki spektrum tertentu. Hg dan He merupakan atom yang memiliki jumlah elektron

terluarnya adalah dua. Transisi optik atom He dan Hg dapat ditentukan melalui spektrumnya. Untuk

menentukan spektrum atom, maka dirancang percobaan dengan menggunakan metode grating. Tujuan dari

eksperimen ini adalah memahami proses difraksi pada celah banyak menggunakan metode grating,

memahami prinsip kerja lampu He dan Hg, memahami spetrum emisi lampu He dan Hg untuk kemudian

hasilnya dapat digunakan untuk menentukan panjang gelombang dari spektrum Hg dan He serta jenis atom

berdasarkan spektrumnya. Hasil percobaan diperoleh nilai panjang gelombang spektrum, energi transisi,

berserta transisinya. Atom yang tidak diketahui dengan mencocokan spektrumnya maka atom tersebut

adalah

Kata kunci: eksitasi, spektrum, transisi

I. Pendahuluan

Pada percobaan ini kita akan mengamati

difraksi pada celah banyak menggunakan

metode grating, memahami prinsip kerja

lampu He dan Hg, spektrum emisi lampu He

dan Hg. Hasil percobaan diperoleh nilai

panjang gelombang spektrum, energi transisi,

dan transisinya yang kemudian digunakan

untuk menentukan panjang gelombang

spektrum He dan Hg serta jenis atom

berdasar spektrumnya.

Spektrum elektromagnetik adalah

susunan semua bentuk gelombang

elektromagnetik berdasarkan panjang

gelombang dan frekuensinya. Tetapi

spektrum elektromagnetik ini tidak hanya

cahaya tampak, ada juga gelombang radio,

gelombang mikro, sinar inframerah, sinar UV

(Ultra Violet), sinar-X, sinar Gamma [1]

.

Difraksi grating meripakan salah satu

alat yang digunakan untuk memisahkan

spektrum cahaya[2]

. Difraksi grating adalah

metode yang sangat berguna untuk

pemisahan garis spektrum yang terkait

dengan transisi atom. Panjang gelombang

spektrum dapat dihitung menggunakan

persamaan berikut :

𝜆 = 𝑘𝐿

𝐿2+𝑑2... (1)

Keterangan :

λ : Panjang gelombang (nm)

k : Konstanta grating (1/6000 garis/cm)

L : Jarak dari pusat ke terang (kanan/kiri)

d : Jarak antara pengamatan dan lampu (cm)

Gambar 1. Metode Grating

Sumber cahaya yang dihasilkan pada

lampu merupakan bentuk konsekuensi dari

proses eksitasi elektron dari keadaan

eksitasinya E1 menuju keadaan dasarnya E0.

Proses eksitasi disertai dengan emisi foton

dengan panjang gelombang :

𝜆 = ∆𝐸

ℎ𝑐...(2)

dengan

∆𝐸 = 𝐸𝑓 − 𝐸𝑖 ...(3)

Keterangan :

λ : Panjang gelombang (nm)

ΔE : Selisih energi (eV)

Ef : Energi awal (eV)

Ei : Energi akhir (eV)

h : Konstanta Planck (6,63x10-34

J/s)

c : Kecepatan cahaya (3x108 m/s)

Berbeda dengan model atom Hidrogen,

untuk kasus transisi optik pada atom He dan

Hg melibatkan jumlah elektron lebih dari

satu. Probabilitas paling tinggi eksitasi dan

absorbsi terjadi pada elektron terluar dari

atom. Energi ikat elektron terluar memiliki

nilai yang lebih kecil daripada energi

elektron di dalamnya sehingga lebih mudah

melakukan transisi optik pada elektron

terluar.

Pada kasus percobaan kali ini, gas

Helium pada lampu memiliki kontribusi dua

elektron disetiap atomnya. Percobaan kali ini

dilakukan untuk menentukan spektrum dari

atom Hg dan He. Serta menentukan lampu

atom tertentu dengan hanya mengetahui

spektrumnya.

II. Metode Percobaan Percobaan dilakukan dengan

menggunakan metode Grating. Perlengkapan

disusun sedemikian rupa sehingga sumber

cahaya mengenai lensa grating dan kemudian

dapat diamati pola difraksi dengan mata

secara langsung pada bangku optik

ditempatkan di dekat lensa. Serta jarak

spektrum hasil pola difraksi dapat diukur

menggunakan penggaris.

Gambar 2. Skema penyusunan alat pada

percobaan

Pertama, lampu diberi tegangan hingga

menyala dengan tegangan maksimal 5 kV.

Pemberian tegangan dilakukan secara

perlahan. Untuk setiap lampu, akan teramati

pola difraksi (spektrum) dari lampu tersebut.

Panjang gelombang spektum dihitung

melalui persamaan 1, dengan L ditentukan

melalui jarak dua spektrum dibagi dua (kiri

dan kanan). Nilai d ditentukan dengan

mengukur jarak lensa grating ke penggaris.

Percobaan ini dilakukan untuk 3 lampu

yaitu lampu Hg(merkuri), lampu Helium dan

lampu X (jenisnya tidak dikatehui) dengan

masing-masing lampu diberi 3 variasi jarak

d, yaitu pada 40 cm, 50 cm dan 60 cm.

III. Data dan Pengolahan

a. Percobaan lampu Hg (merkuri),

Lampu He dan Lampu X (jenisnya

tidak diketahui)

- Lampu Hg

Pemberian tegangan = 0,6 kVolt

Tabel 1. Warna yang dihasilkan dari variasi jarak

pengamatan untuk lampu Hg (merkuri) dengan

variasi d =40 cm, 50cm dan 60 cm

d = 40 cm

Warna L (cm)

kanan kiri

Merah 255 -

Kuning 181 270

Hijau 167 252

Ungu 123 209

d = 50 cm

Warna L (cm)

kanan kiri

Kuning 221 312

Hijau 205 297

Biru 153 242

Ungu 134 225

d = 60 cm

Warna L (cm)

kanan kiri

Merah 340 428

Kuning 262 352

Hijau 243 330

Biru 180 265

Ungu 168 246

- Lampu Helium

Pemberian tegangan = 0,6 kVolt

Tabel 2. Warna yang dihasilkan dari variasi jarak

pengamatan untuk lampu Helium dengan variasi

d =40 cm, 50cm dan 60 cm

d = 40 cm

Warna L (cm)

kanan kiri

Merah 233 305

Kuning 204 270

Hijau 164 240

Biru 157 235

Ungu 140 219

d = 50 cm

Warna l (cm)

kanan kiri

Merah 285 350

Kuning 247 310

Hijau 200 269

Biru 193 265

Ungu 173 241

d = 60 cm

Warna l (cm)

kanan kiri

Merah 322 401

Kuning 273 350

Hijau 226 305

Biru 215 300

Ungu 192 275

- Lampu X (jenisnya tidak diketahui)

Pemberian tegangan : 240 Volt

Tabel 3. Spektrum warna yang dihasilkan dari

variasi jarak pengamatan untuk lampu X yang

jenisnya tidak diketahui

d = 40 cm

Warna l (cm)

kanan kiri

Merah 217 220

Hijau 167 180

Biru 141 171

Ungu 135 155

d = 50 cm

Warna l (cm)

kanan kiri

Merah 250 245

Hijau 192 198

Biru 176 190

Ungu 163 175

d = 60 cm

Warna l (cm)

kanan kiri

Merah 296 286

Hijau 229 225,5

Biru 214 218

Ungu 194 200

b. Spektrum lampu Hg (merkuri),

Lampu He dan Lampu X (jenisnya

tidak diketahui)

- Lampu Hg(merkuri)

Tabel 4. Spektrum Lampu Hg (merkuri) untuk

jarak d = 40cm

Warna λ(nm) ΔE (eV) Transisi

Merah 895.9289 1.3858 5p – 2s Kuning 818.4803 1.5169 5p – 2s Hijau 773.276 1.6056 5p – 2s Biru 0 0 0 Ungu 638.8389 1.9434 5p – 2s

Tabel 5. Spektrum Lampu Hg(merkuri) untuk

jarak d = 50cm

Warna λ(nm) ΔE (eV) Transisi

Merah 0 0 0

Kuning 783.932 1.5837 5p – 2s Hijau 747.7383 1.6604 5p – 2s Biru 612.2971 2.0277 5p – 2s Ungu 563.1436 2.2046 5p – 2s

Tabel 6. Spektrum Lampu Hg(merkuri) untuk

jarak d = 60cm

Warna λ(nm) ΔE (eV) Transisi

Merah 898.4228 1.3819 5p – 2s Kuning 759.1719 1.6354 5p – 2s Hijau 718.161 1.7288 5p – 2s Biru 579.4934 2.1424 5p – 2s Ungu 543.5606 2.2841 5p – 2s

- Lampu Helium

Tabel 7. Spektrum Lampu He untuk jarak d =

40cm

Warna λ(nm) ΔE(eV) Transisi

Merah 930.0781 1.3349 5p – 2s Kuning 849.5724 1.4614 5p – 2s Hijau 751.301 1.6525 5p – 2s Biru 733.3587 1.6929 5p – 2s Ungu 682.3601 1.8195 5p – 2s

Tabel 8. Spektrum Lampu He untuk jarak d =

50cm

Warna λ (nm) ΔE(eV) Transisi

Merah 893.4265 1.3896 5p – 2s Kuning 811.0115 1.5308 5p – 2s Hijau 707.6991 1.7543 5p – 2s Biru 694.0071 1.7889 5p – 2s Ungu 637.525 1.9474 5p – 2s

Tabel 9. Spektrum Lampu He untuk jarak d =

60cm

Warna λ (nm) ΔE(eV) Transisi

Merah 860.1157 1.4434 5p – 2s Kuning 767.9508 1.6167 5p – 2s Hijau 674.4218 1.8409 5p – 2s Biru 657.3023 1.8888 5p – 2s Ungu 604.4518 2.054 5p – 2s

- Lampu X

Tabel 10. Spektrum Lampu X untuk jarak d =

40cm

Warna λ(nm) ΔE(eV) Transisi

Merah 798.9834 1.5539 5p – 2s Hijau 663.2154 1.872 5p – 2s Biru 605.5755 2.0502 5p – 2s Ungu 567.9989 2.1858 5p – 2s

Tabel 11. Spektrum Lampu X untuk jarak d =

50cm

Warna λ(nm) ΔE(eV) Transisi

Merah 739.3753 1,6792 5p – 2s Hijau 605.5755 2.0502 5p – 2s Biru 572.8379 2.1673 5p – 2s Ungu 533.6731 2.3264 5p – 2s

Tabel 12. Spektrum Lampu X untuk jarak d =

60cm

Warna λ(nm) ΔE(eV) Transisi

Merah 727.3065 1.707 5p – 2s Hijau 590.3268 2.1031 5p – 2s Biru 564.5324 2.1992 5p – 2s Ungu 519.9152 2.388 5p – 2s

c. Tabel Referensi Tabel 13. Referensi Lampu Hg (merkuri)

Warna

λref

(nm) [4]

ΔE

(eV) Transisi

Kuning 576.9 5p – 2s Hijau 546.074 5p – 2s Biru 435.835 5p – 2s Ungu 404.6 5p – 2s

Tabel 14. Referensi Lampu Helium

Warna

λref

(nm) [4]

ΔE

(eV) Transisi

Merah 667.8 5p – 2s Kuning 587.5 5p – 2s Hijau 504.7 5p – 2s Biru 492.1 5p – 2s Ungu 447.1 5p – 2s

Tabel 15. Referensi Lampu X

Warna

λref

(nm)

ΔE

(eV) Transisi

Merah 667.8 5p – 2s Hijau 504.7 5p – 2s Biru 492.1 5p – 2s Ungu 447.1 5p – 2s

IV. Pembahasan Difraksi grating menggunakan lensa

khusus, lensa grating, yang merupakan lensa

yang diberi geratan tak tembus cahaya.

Sehingga bagian yang tembus cahaya

berperan seperti sebagai celah pada kisi.

Lensa grating yang digunakan memiliki 600

goresan/cm. Setiap bagian lensa yang tidak

digores (yang mentransmisikan cahaya)

berperan sebagai sumber cahaya baru yang

koheren. Hal ini disebut prinsip Huygens.

Sehingga akan membentuk pola difraksi yang

dapat teramati. Pola difraksi diamati

langsung dengan posisi mata dekat dengan

grating. Bila diletakkan penggaris didepan

lensa (dibelakang sumber cahaya) maka

pengamat dapat mengamati proyeksi pola

difraksi pada penggaris. Gambar 1

menunjukan konfigurasi gratting.[2]

Hasil percobaan dibandingkan dengan

referensi berbeda. Hasil percobaan diperoleh

panjang gelombang dengan nilai mendekati

1/3 panjang gelombang referensi. Perbedaan

hasil ini dipengaruhi oleh kekonsistenan

pengamat dalam mengamati pola grating.

Saat percobaan sangat mungkin posisi mata

pengamat tidak tetap. Selain itu, penempatan

penggaris kurang horizontal (miring).

Sehingga nilai L yang diperoleh akan lebih

besar dari seharusnya. Namun, faktor tersebut

tidaklah menyebabkan kesalahan yang besar,

sedangkan hasil percobaan diperoleh nilai

panjang gelombang hanya hampir 1/3

panjang gelombang referensi. Sehingga,

kemungkinan spektrum yang teramati berada

pada orde 3. Persamaan yang digunakan

untuk menghitung panjang gelombang adalah

pada orde 1 (n = 1). Apabila n=3 maka

diperoleh panjang gelombang yang

mendekati dengan panjang gelombang

referensi.

Transisi elektron dari tingkat energi

tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah

menyebabkan adanya energi yang

diradiasikan (berupa cahaya). Untuk variasi

perubahan tingkat energi memberikan

pemancaran gelombang elektromagnetik

berbeda (panjang gelombang yang berbeda).

Setiap panjang gelombang ini adalah

spektrum dari sebuah atom. Setiap jenis atom

memiliki jumlah elektron yang berbeda beda

maka transisi elektronya berbeda-beda.

Variasi perubahan tingkat energinya pun

berbeda-beda. Pada akhirnya setiap atom

memiliki spektrum yang berbeda-beda.

Berdasarkan teori kuantum, untuk fungsi

keadaan elektron pada sebuah atom

direpresentasikan oleh fungsi fungsi keadaan

dengan label bilangan kuantum n , l ,m , dan

s. Untuk menentukan energi dari setiap

keadaan, maka dikerjakan operator

Hamiltonian pada fungsi keadaan. Untuk

kasus model atom hidrogen diperoleh nilai

eigen energi dari operator hamiltoniannya

adalah

𝐸𝑛 = −𝑚𝑒4

32𝑥2𝜖𝑜2ℏ2

1

𝑛2 =𝐸1

𝑛2 ...(4)

Akibat energi terkuantisasi maka ketika

terjadi transisi elektron, elektron akan

menyerap/meradiasi energi sebesar

perubahan energinya. Yaitu ΔE = Ef − Ei

untuk kasus eksitasi elektron dari tingkat

energi lebih tinggi ke tingkat energi lebih

rendah akan memancarkan radiasi/cahaya

dengan energi sebesar hf atau hc /λ maka

panjang gelombang yang dipancarkan adalah

pada persamaan 2. untuk atom secara umum,

transisi keadaan elektron akan memberikan

delta E yang berbeda-beda sesuai proses

transisinya. Pada akhirnya menghasilkan

cahaya dengan panjang gelombang tertentu.

Karakteristik ini yang kemudian diambil

sebagai spektrum atom.

Simbol S, P, D, F, G, H, I, dan

seterusnya, merupakan Term Symbol [3].

Term symbol ini merepresentasikan

momentum angular dari interaksi dua buah

elektron. Angka superscript sebelum simbol

mewakili jumlah multiplikasi state (keadaan)

dengan nilai 2S + 1, dengan S merupakan

bilangan kuantum spin. Sedangkan subscript

setelah simbol merupakan bilangan kuantum

momentum angular total. Misal 2P1 maka

bilangan kuantum momentum angularnya L

= 1. Bilangan kuantum spin S = ½, dan nilai

momentum angular totalnya adalah J = 1.

pada kasus atom He dan atom Hg, interaksi

dua elektron terluarnya membentuk singlet

dan triplet. Artinya terjadi multiplikasi state

singlet (1) dan triplet (3) sehingga nilai

superscript sebelum simbol termnya adalah 1

dan 3, bilangan kuantum spin S nya adalah 0

dan 1.

Transisi yang terjadi pada keadaan

elektron, tidak sembarang pindah ke keadaan

tingkat energi ke tingkat energi lainnya.

Namun, ada suatu state yang apabila transisi

ke state tertentu akan memberikan nilai

probabilitas nol (tidak mungkin). Transisi

hanya dapat terjadi apabila Δ S=0 dan Δ

L=0,•}1. Aturan ini disebut Selection Rule.[5]

Lampu yang tidak diketahui tersebut,

dengan membandingkan dengan referensi

didapat atom Helium[4]

. Terlihat pula

beberapa kemiripan pada tabel 2 dan 3.

Efek Zeeman adalah spliting spektrum

akibat adanya medan magnet luar. Apabila

ada medan magnet luar, maka akan

mempengaruhi momentum sudut (orbital)

pada elektron sehingga memberikan nilai

energi yang sedikit berbeda saat transisi.

Sehingga spektrum terspliting menjadi 3

bagian.

Fine structure adalah kelompok garis

yang diamati dalam spektrum unsur-unsur

tertentu, seperti hidrogen dan helium,

disebabkan oleh berbagai coupling dari

bilangan kuantum azimut dan bilangan

kuantum momentum sudut. Adanya

pemisahan garis spektrum utama atom

menjadi dua atau lebih komponen, masing-

masing mewakili panjang gelombang yang

berbeda. Fine structure dihasilkan ketika

sebuah atom memancarkan cahaya saat

transisi dari satu tingkat energi ke tingkat

energi yang lain. Garis pembagi fine

structure muncul dari interaksi gerakan

orbital elektron dengan mekanika kuantum

spin elektron. Tingkat energi dari setiap

unsur yang diberikan adalah terkuantisasi

(yaitu hanya tingkat energi diskrit yang

tersedia) spektrum optik muncul sebagai

rangkaian garis bukannya spektrum kontinu.

Dengan setiap baris mengaitkan tiga bilangan

yaitu, n (bilangan kuantum utama),

l (bilangan kuantum azimut)

dan j (bilangan kuantum momentum sudut).

Konsep fine structure lebih berpengaruh

pada percobaan ini.

V. Kesimpulan Hasil percobaan diperoleh nilai panjang

gelombang spektrum Hg dan He pada tabel

1,2, dan 3, beserta energi transisi dan

transisinya pada tabel 4-12.

Lampu yang tidak diketahui jenisnya

dicocokkan dengan spektrum berdasarkan

referensi didapatkan bahwa lampu tersebut

adalah lampu He.

VI. Pustaka [1] Kasuwendi, Gunawan. 2013. Analisa

Spektrum Cahaya Menggunakan

Metode Grating Berbasis

Mikrokontroler AVR. Jurusan Teknik

Elektro, Fakultas Teknik, Universitas

Kristen Maranatha.

[2]Diffraction Grating. url :

http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/h

base/phyopt/grating.html. (diakses 13

November 2015)

[3] A. Beiser. Concept of Modern Physics 6th

Edition. 2003. McGraw-Hill

[4] Atomic Spectra. url:

http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/h

base/quantum/atspect.html#c1

(diakses 13 November 2015)

[5]Project PHYSNET. Physics Blog.

Michigan State Univeristy.

http://www.physnet.org/modules/pdf

_modules/m316.pdf

(diakses pada 13 November 2015)