SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Rancang Bangun Spektrofotometer untuk Analisis Temperatur Matahari di Laboratorium Astronomi Jurusan Fisika UM NOVITA DEWI ROSALINA*), SUTRISNO, NUGROHO ADI PRAMONO Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang, *E-mail:
[email protected] ABSTRAK: Spektrofotometer sederhana dirancang menggunakan prisma, lensa, kamera digital dan komputer. Prisma digunakan sebagai media difraksi dan kamera sebagai sensor cahaya. Spektrofotometer sederhana dikalibrasi menggunakan gas argon dan helium. Data citra hasil pengamatan dan kalibrasi dicari posisi pixelnya. Data posisi pixel diplotkan dengan referensi panjang gelombang untuk mendapatkan fungsi kalibrasi, kemudian melakukan analisis temperatur menggunakan persamaan Wien. Hasil uji lampu gas argon dan helium menunjukan bahwa terjadi garis emisi pada panjang gelombang tertentu. Hal ini membuktikan bahwa alat benar sebagai media pendifraksi. Hasil analisis temperatur dari perhitungan menggunakan persamaan Wien adalah temperatur matahari sebesar 5627K. Kata Kunci: spektrofotometer, spektrum, temperatur, matahari
PENDAHULUAN Bintang dapat dibedakan dari warna, temperatur dan massa. Ketiga ini saling berkaitan satu sama lain. Bintang paling panas cenderung berwarna biru karena memancarkan energi pada gelombang pendek (Hanun,K., dkk, 2007). Warna-temperatur juga digunakan dalam analisis kelimpahan spektral, komputasi efek, dan sejumlah masalah astronomi yang tak terduga (Worthey G dan Hyun Chul Lee, 2010). Penentuan temperatur bintang dapat dilakukan dengan menggunakan metode spektroskopi. Metode yang paling penting dari pembentukan spektrum adalah melalui prisma objektif atau celah spektograf (Inglish, S., J, 1967) . Metode spektroskopi adalah metode dengan pengamatan garis-garis pada spektrum bintang. Garis spektrum suatu unsur tertentu berubah kekuatannya dengan berubahnya temperatur. Franhoufer menemukan bahwa jika melalukan cahaya matahari pada celah sempit di depan prisma maka akan mendapatkan spektrum dengan beberapa garis hitam. Prinsip dasar spektrofotometer adalah sebuah cahaya melewati celah sempit yang kemudian disejajarkan oleh kolimator, cahaya sejajar melalui prisma didispersikan dalam beberapa warna pelangi yang kemudian mengenai lensa dan difokuskan pada plat fotografik (Worthey G dan Hyun Chul Lee, 2010). Instrumen ini dinamakan spektrofotometer. Spektrofotometer merupakan metode pengukuran spektrum. Sayangnya, spektrofotometer standart sangat mahal dan memiliki komponen instrumental yang rumit (Widiatmoko Eko, dkk, 2011). Oleh sebab itu spektrofotometer sederhana dirancang dengan menggunakan bahan umum yaitu prisma. Matahari sebagai objek penelitian dikarenakan cuaca malang yang sering hujan, tingginya polusi cahaya dan sempitya medan pandang langit di laboratorium. METODE PENELITIAN Gambar 1 menunjukan simbol segitiga sebagai prisma, simbol bikonkaf sebagai lensa cekung.
Gambar 1. Skema rancangan spektrofotometer ISBN 978-602-71279-1-9
FA-7
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 Bagian depan spektrofotometer sederhana terbuat dari besi dengan ukuran yang disesuaikan dengan teleskop yaitu diameter 3,2 cm dan tinggi 3 cm. Tempat prisma dan lensa terbuat dari bahan kayu Spektrofotometer sederhana ini menggunakan prisma 45◦ dan lensa cekung dengan panjang fokus 5 cm. Prisma didesain dapat berputar 360◦ derajat. Hal ini dilakukan untuk memudahkan mencari sudut bias panjang gelombang yang diinginkan. Lensa cekung didesain dapat berpindah maju mundur. Slit terbuat dari aluminium foil dengan celah yang sangat tipis. Selain untuk meluruskan caya yang masuk, slit juga bertujuan untuk mengurangi intensitas matahari yang masuk. Analisis citra spektrum dapat dilakukan dengan menggunakan progam citra apapun seperti Microsoft Paint, Photoshop, IRIS. Analisis pada penelitian ini menggunakan IRIS. Mengarahkan kursor titik pada garis spektrum satu demi satu dan menuliskan posisi pixel pada kertas. Data posisi pixel diplotkan dengan referensi panjang gelombang untuk mendapatkan fungsi kalibrasi. Panjang gelombang yang didapat akan digunakan untuk analisis temperatur dengan menggunakan persamaan Hukum Wien HASIL DAN PEMBAHASAN Spektrofotometer Sepktrofotometer adalah metode pengukuran spektrum. Spektrofotometer sederhana terdiri dari prisma, lensa dan slit. Setiap panjang gelombang prisma memiliki sudut bias. Oleh sebab itu pada prisma spektrofotometer sederhana digunakan sistem putar 360◦. Lensa yang digunakan adalah lensa cekung dengan diameter 5 cm dan panjang fokus 5 cm. Penggunaan lensa pada spektrofotometer adalah untuk melebarkan spektrum. Lensa dibuat sistem maju mundur untuk memudahkan mencari fokus. Slit terbuat dari bahan aluminium foil dengan ketebalan 0.02 mm.
Gambar 2. Kontruksi Spektrofotometer.
Citra Spektrum Pengambilan citra menggunakan kamera nikon D3100 yang telah disetting manual dengan format gambar RAW. Jika posisi prisma dari kamera konstan, maka posisi citra spektrum juga konstan. Pengambilan citra spektrum beberapa kali gagal dikarenakan adanya kebocoran cahaya yang disebabkan slit. Sehingga terdapat cahaya putih pada citra spektrum.
Gambar 3 Kebocoran cahaya
Pengujian awal dilakukan ke matahari menggunakan spektrofotometer tanpa bantuan teleskop. Pengujian kedua dengan bantuan teleskop. Kemudian melakukan ISBN 978-602-71279-1-9
FA-8
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 pengambilan data yang dilakukan beberapa kali untuk mendapatkan garis balmer dipanjang gelombang merah.
(a)
(a) (b)
Gambar 4. (a) (b) Spektrum matahari diambil menggunakan nikon D3100
Gambar 4 (a) terlihat garis gelap pada panjang gelombang hijau dan panjang gelombang merah. Gambar 4(b) terlihat garis gelap pada panjang gelombang merah. Garis gelap atau garis absorbsi terjadi karena elektron pada atom tereksitasi dari energi rendah ke energi tinggi sehingga energi foton terserap. Garis gelap pada suatu panjang gelombang menunjukan suatu unsur. Panjang gelombang merah kaya akan unsur hidrogen dan panjang gelombang hijau kaya akan unsur magnesium. (b)
Uji alat menggunakan lampu gas argon dan helium di laboratorium fisika dasar. Berdasarkan gambar 5Gambar (a) dapat terjadi pada panjang 4. (a) diketahui (b) Spektrumbahwa matahari diambilemisi menggunakan nikon gelombang merah dan panjang gelombang biru. Rentang antar panjang gelombang sangatlah kecil, hal ini disebabkan karena rendahnya resolusiD3100 alat. Sementara itu, berdasarkan gambar 5 (b) dapat diketahui bahwa terjadi emisi pada panjang gelombang merah. Pengujian lampu gas argon dan helium membuktikan bahwa spektrofotometer benar terjadi difraksi. Setelah itu, data uji lampu gas argon digunakan sebagai data kalibrasi.
(a)
(b)
Gambar 5. (a) Spektrum Argon (b) Spektrum Helium ISBN 978-602-71279-1-9
FA-9
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 Konversi Panjang Gelombang Berdasarkan penelitian yang dilakukan Widiatmoko konversi citra spektrum menjadi panjang gelombang dapat dilakukan pada semua citra spektrum jika hubungan antara posisi pixel dan panjang gelombang diketahui. Resolusi panjang gelombang meningkat ketika menggunakan ukuran gambar yang lebih besar. Nilai perbedaan panjang gelombang per pixel (invers dari koefisien p dalam fungsi kalibrasi) naik secara linier dengan lebar gambar dalam pixel . Analisis citra spektrum dapat dilakukan dengan menggunakan progam citra apapun seperti Microsoft Paint, Photoshop, IRIS. Analisis pada penelitian ini menggunakan IRIS. Mengarahkan kursor titik pada garis spektrum satu demi satu dan menuliskan posisi pixel pada kertas. Data posisi pixel diplotkan dengan referensi panjang gelombang untuk mendapatkan fungsi kalibrasi.
angstrom
8000 y = 2,0332x + 1166,6 R² = 0,9223
6000 4000 2000 0 0
1000
2000
3000
pixel Gambar 4.3 Kurva kalibrasi dari pixel ke panjang gelombang
Fungsi kalibrasi yang didapatkan adalah =2.0322p + 1166.6 Ả
(1)
Posisi pixel spektrum matahari pada gambar 4.2.2 adalah 1962 yang kemudian dimasukan kedalam persamaan (1) untuk mendapatkan panjang gelombangnya. = 2.0322 (1962) +1166.6 Ả = 5153.78 Ả
Analisis Temperatur Matahari
Analisis temperatur menggunakan persamaan (2) hukum Wien =
(2)
adalah panjang gelombang maksimum, b adalah konstanta yang besarnya 2,9 10 . =
2,9 10 5,15378 10
= 5627
temperatur matahari yang didapat sebesar 5627 K. Melihat data klasifikasi bintang, temperatur matahari tersebut termasuk kelas bintang G. Kelas bintang G memiliki rentang temperatur 5500-6000 K. KESIMPULAN Pengujian pada lampu argon dan helium terjadi emisi garis, hal ini membuktikan bahwa alat spektrofotometer sederhana adalah benar sebagai media pendifraksi. Temperatur matahari dari analisis sebesar 5627 K. ISBN 978-602-71279-1-9
FA-10
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 DAFTAR RUJUKAN Inglis, Stuart J. 1967. Planets, Star, and Galaxies second edition. New York. Karttunen, Hanun dkk. 2007. Fundamental Astronomy Fifth Edition. Springer. Monai,Elena. 2009. Properties of Stars: temperature, colour index and equivalent widht of spectral lines. The Sky AS a Laboratory. Widiatmoko Eko dkk. 2011. A Simple Spectrophotometer Using Common Material and a Digital Camera. Physics Education Worthey G dan Hyun Chul Lee. 2010. An Empirical UBVRIJHK Color-Temperature Calibration for Star. Astronomy &Astrophysics Journal.
ISBN 978-602-71279-1-9
FA-11
