Son Haberler

Spektroskopi Nedir? (Özellikleri, Çeşitleri)

-
Eylül 16, 2022
Spektroskopi Nedir? (Özellikleri, Çeşitleri)

Spektroskopi; maddelerin veya cisimlerin özelliklerini ışın ve parçacık gibi etmenler kullanılarak muhtelif tekniklerle analiz usullerinin genel adıdır.

Spektroskopi Nedir? Özellikleri, Çeşitleri

Spektroskopi, bir maddenin özelliklerinin, soğrulan emilen parçacıklar, ışık veya ses aracılığı ile araştırıldığı bir harekâttır. Moleküllerin, iyonların ve çekirdeklerin “kuantumlanmış” enerji düzeylerini tanımlayan bir usuldür. Kimyevi tahlillere bağlı değildir. Spektrumsal tahliller de, kimyevi incelemelerden oluşmaz. Fizik, fonotik ve optik temelli tekniklerdir. Deneysel olarak sadece frekans ölçümlerini içerir. Uygun olan her maddede veya her yerde kullanılabilir. Astrofizik, tıp, elektrokimya, nükleer fizik, nükleer kimya, analitik kimya ve moleküler biyoloji gibi bir hayli alanda spektroskopiden yararlanılabilmektedir. Spektroskopinin tarihinden çeşitlerine kadar bir hayli akıllı yazımızda bulabilirsiniz.


Tarihi

Spektroskopi terimi, ilk olarak Alman asıllı İngiliz fizikçi Sir Franz Arthur Friedrich Schustter tarafından 1882 senesinde kullanılmıştır. Spektroskopinin geçmişi, Newton’un 17. asırda güneş ışığının muhtelif renklerden oluştuğunu gösteren deneyine kadar katlanıyor. Newton’un meşhur “prizma deneyi”, spektroskopinin başlangıcı olarak kabul ediliyor. 19. asrın başlarında elektromanyetik ışımanın ultraviyole gibi anlaşılması ile “Newton spektrumu” genişlemiştir. Spektral çizgilerin araştırılması neticeyi, bu çizgilerin, maddelerin karakteristik özelliklerini gösterdiği ortaya çıktı. Ancak ilk tespitlerden itibaren uzun zaman bu çizgilerin çoğunun ne ifade ettiği anlaşılamadı. Niels Bohr’un “atom kuramı” ile 1885 senesinde Balmer tarafından gözlemlenen hidrojen atomları spektrumları anlam kazandı.

Bu büyüme, spektroskopi ve kuantum fiziğini gelişimini süratlendirdi. Bu sayede atomların, moleküllerin ve katıların spektrumları alınabildi ve belirlenebildi. 19. asrın ilk yarısında spektrometreler geliştirildi. Bu aygıtlarla pek çok elementin veya maddenin spektral çizgileri gözlemlendi, belirlendi ve sınıflandırıldı. Daha sonra geliştirilen “kırılım ağlı” spektrometreler, spektroskopi alanında ehemmiyetli büyümelere kapı araladı ve büyük ilerlemeler kaydolundu.

“Spektroskopi” sözcüğü, Latince “ruhtaki fotoğraf” veya “ruhun resmi” gibi anlamındaki bir kelimedir. Latince “bakmak” anlamındaki “specele”, Yunanca “görmek” anlamındaki “skopya” kelimeleri ile de iletişimlidir.

Tanım

Spektroskopinin en kolay tanımı; inceleme yapmak için enerji ile bir numunenin etkileşiminin araştırılmasıdır. Maddelerin özelliklerinin tanımlanması, madde ile ışık arasındaki etkileşiminin araştırılması, maddelerin ışık aracılığı ile belirlenmeleri gibi uygulamalarda ışık, ses veya parçacıklar kullanılarak bazı bilgiler elde edilmesi usulüdür. Başka bir tanıma göre de, spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim veya bir numune tarafından saçılması, yansıtılması, soğurulması emilmesi veya salınmasını araştıran bilim dalıdır. Spektroskopik inceleme usullerinde rastgele bir madde, nesne veya numune üzerine bir uyarıcı parçacık veya tanecik gönderilir. Daha sonra elektron, nötron, proton, atom veya molekül gibi maddenin yapıtaşlarının bu uyarıcıya karşı tepkisi ve tavrı araştırılır ve ölçülür. Deneysel frekanslardan faydalanılarak atomlar, moleküller veya çekirdekler arasındaki güçlerin etkileşimleri araştırılır. Bu atom, molekül ya da çekirdeklerin yapılarını ortaya koyacak deneysel bilgileri toplamaya imkân verir. Spektroskopide; atom ve molekül enerji seviyeleri, moleküler geometriler, kimyevi bağlar, moleküllerin etkileşimleri ve alakalı süreçler hakkında bilgiler bir araya gelir. Bu bilgiler için “spektrum” veya “spektral çizgi” kullanılır.

Spektroskopinin Özelliği

Spektroskopinin temeli ışınlardır. Bir elektromanyetik ışın demeti bir numuneyi geçtiğinde, fotonlar numuneyle etkileşime girer. Absorbe emilmiş edilmiş ışınım, bir numunedeki elektronları ve kimyevi bağları tesirler. Bazı vaziyetlerde emilen ışınım düşük enerjili fotonların emisyonuna neden olur. Spektroskopi, ışınımın numuneyi nasıl etkilediğine bakar. Dağılan ve absorbe edilen spektrumlar materyal hakkında bilgi edinmek için kullanılabilir. Etkileşim, ışınımın dalga boyuna bağlı olduğu için bir hayli spektroskopi cinsi bulunur.


Spektroskopi Çeşitleri

Spektroskopi, devamlı büyüme gösteren bir alandır. Hem var olan tekniklerin iyileştirilmesi ve geliştirilmesi hem de yeni usullerin önerilmesi bu alanı devamlı canlı yakalamaktadır. Bu nedenle günümüzde pek çok spektroskopi usulü kullanılmaktadır. İlk uygulamalarından “optik spektroskopi” usulü, öteki usullerin temelini oluşturur. Spektroskopi usullerinde maddenin elektromanyetik ışınımı yayması, absorblaması emmesi, absürtsü, saptırması gibi elektromanyetik ışınımla etkileşimi ölçülür. Bu etkileşimin neticeleri muhtelif tahlillerde ve analitik emellerle kullanılır. Spektroskopik usullerde mikrodalga, radyo dalgaları ve x ışınları gibi elektromanyetik olan veya olmayan ışınımlar da kullanılmaktadır. Günümüzde spektroskopi; değişik teknik, değişik madde vaziyeti, kullanılan spektral aralık veya parçacık cinsine göre alt dallara bölmektedir. Çok rakamdaki spektroskopi çeşidinden başlıcaları şunlardır;

Optik Spektroskopi: Numunenin karakteristik özelliklerini tanımlamada kullanılan ehemmiyetli bir usuldür. Katı numunedeki optik faal iyonların enerji seviyeleri, kristal yapıları, orbital veya örgü enerji seviyeleri hakkında bilgi verir.
Kızılötesi infrared Spektroskopi: Bir maddenin kızılötesi absorpsiyon spektrumu bazen moleküler parmak izi olarak adlandırılır. Malzemeleri belirlemek için sıkça kullanılıyor olmasına karşın, emici moleküllerin rakamını ölçmek için kızılötesi spektroskopisi de kullanılabilir.
Morötesi görünür bölge, ultraviyole Işık Spektroskopisi: Moleküllerdeki elektronik geçişlerin verdiği spektrumları mevzu alır. “Elektronik spektroskopi” olarak da öğrenilir. Morötesi spektrofotometrelerinde sırça veya kuvars prizma bulunur ve kullanırken ışığın rastgele bir frekanslı UV veya görünür bölgesi seçilir. Işık misalden geçtikten sonraki absorbsiyonu veya iletkenliği araştırılır.
Raman Spektroskopisi: Bir molekülün ışığının Raman dağılımı, bir numunenin kimyevi bileşimi ve moleküler yapısı hakkında bilgi toplamak emeliyle kullanılır. Organik ve inorganik numunelerde, yüksek hassasiyette ve mikronaltı skalalarda görüntüleme ve kimyevi inceleme imkânı verir.
Astronomik Spektroskopi: Gökyüzü nesnelerinden gelen enerji, kimyevi bileşimi, yoğunluğu, tazyiki, sıcaklığı, manyetik alanı, sürati ve öteki özelliklerini inceleme etmek için kullanılır. Astronomik spektroskopide kullanılabilecek bir hayli enerji cinsi spektroskopi vardır.
Nükleer Manyetik Titreşim Spektroskopisi NMR Spektroskopisi: Atom çekirdeğinin emin manyetik özelliklerini kullanan bir araştırma tekniğidir. İçerisindeki atomların veya moleküllerin fiziksel ve kimyevi özelliklerini tanımlar. Tek rakamlı atom numarasına sahip atomların çekirdek spinleri vardır. Bu spinler manyetik alanın olmadığı etraflarda gelişigüzel yönelim dağılımı gösterirler. Ancak manyetik alan varlığında bu spinler manyetik alana paralel veya anti paralel biçimde yönelirler. Paralel yönelim enerji açısından daha uygundur. Bu spinler, uygun manyetik alan ve elektromanyetik ışınım kombinasyonu ile anti paralel vaziyete getirilebilir. Bu mutasyon geçiş için zorunlu olan soğrulan enerji NMR spektrometresinde algılanır. Alakalı çekirdeğin cinsi ve bulunduğu civara göre titreşimler değişkenlik gösterir.
Kütle Spektroskopisi: Bir kütle spektrometresi kaynağı, iyonlar üretir. Genellikle kütle / yük oranı kullanılarak, numuneyle etkileşime girdikleri zaman iyonların dağılımını inceleme ederek numune hakkında bilgi bir araya gelir. İyonlaşma bölgesinde elde edilen hareketli iyonlar, elektrik yüklü plakalara doğru çekilerek süratlendirilir ve kütle ayracına sevk edilir. Kütle parantezinde kütle / yük oranlarına göre süratlice böler. İyonların çoğu tek yüklü olduğundan, oran kolayca iyonun kütlesine denktir. Kuadrupol, uçuş zamanlı ve çift odaklamalı biçiminde alt cinsleri vardır.
Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi EIS: Sulu etraflarda metallerin elektrokimyasal tepkinlerini inceler. Korozyon süreci, elektrotların modifikasyonu ve performansı sarih hücre potansiyeli, döngüsel voltametri gibi vaziyetler araştırılır.
Atomik Emisyon Spektroskopisi: Numunenin emdiği enerjinin özelliklerini değerlendirmek için kullanılır. Bazen emilen enerji, ışığın floresans spektroskopisi gibi bir teknikle ölçülebilen misalden salınmasına neden olur. Görünür ve ultraviyole ışınları içerir. “Atomik spektral çizgiler” olarak da adlandırılır. Atomik emsiyonda absorbsiyonlar ve emisyonlar; bir elektron yörüngesinden ötekisine yükseldikçe ve düştükçe dış kabuk elektronlarının elektronik geçişlerinden kaynaklanır.
Zayıflatılmış Yansıma Spektroskopisi: İnce filmlerdeki veya yüzeydeki maddelerin araştırılmasını içerir. Numune, bir veya daha fazla enerji ışını tarafından nüfuz edilir ve yansıtılan enerji inceleme edilir. Zayıflamış toplam “reflektans spektroskopisi” ve “frustrated çoklu iç yansıma spektroskopisi” ismi verilen alakalı teknikler, kaplamaları ve opak akışkanları inceleme etmek için kullanılır.
Elektron Paramatik Spektroskopi: Bir manyetik alanda elektronik enerji alanlarını ayrılmaya dayalı bir mikrodalga tekniğidir. Eşlenmemiş elektron kapsayan numunelerin yapılarını tanımlamak için kullanılır.
Elektron Spektroskopisi: Elektron spektroskopisinin muhtelif cinsleri vardır ve bunların hepsi elektronik enerji seviyelerindeki metamorfozları ölçmekle ilişkilendirilmiştir.
Fourier Mutasyon Spektroskopisi: Bir numune üzerinde eş zamanlı olarak tüm alakalı dalga boyları tarafından ışınlanan spektroskopik teknikler ailesidir. Absorpsiyon spektrumu, oluşan enerji modeline bir matematiksel inceleme uygulayarak elde edilir.
Gama Işını veya Mössbauer Spektroskopisi: Gama ışınımı, aktivasyon incelemeyi ve Mossbauer spektroskopisini kapsayan bir enerji kaynağı tahlilidir. Fizik, kimya, biyoloji ve malzeme bilimi gibi alanlarda kullanılır. Kilit noktası; 1957 senesinde Rudolf Mössbauer tarafından bulunan “Mössbauer tesiri”dir.
Lazer Spektroskopisi: Absorpsiyon spektroskopisi, flüoresan spektroskopisi, Raman spektroskopisi ve yüzey yükseltilmiş Raman spektroskopisi, yaygın olarak bir enerji kaynağı olarak lazer ışığını kullanır. Lazer spektroskopileri, meblağlı ışığın madde ile etkileşimi hakkında bilgi sağlar. Lazer spektroskopisi genellikle yüksek çözünürlük ve duyarlılığa sahiptir.
Frekans Modülasyonlu Spektroskopi: Bu cins spektroskopide, kaydolunan her optik dalga boyu orijinal dalga boyu bilgisini kapsayan bir ses frekansı ile kodlanır. Daha sonra bir dalga boyu analizörü özgün spektrumu yine oluşturabilir.
X-ışını Spektroskopisi: Bu teknik, x-ışını emilimi olarak görülebilen atomların iç elektronlarının uyarılmasını kapsar. Bir elektron daha yüksek bir enerji vaziyetinden emilen enerjiyle oluşturulan boşluğa düştüğünde bir x-ışını, floresan emisyon spektrumu üretilebilir.


Hangi Uygulamaları Vardır?

Spektroskopi, fizik, kimya, tıp ve uzay araştırmaları başta olmak üzere bir hayli bilim dalında kullanılmaktadır. Gökbilim, uzaktan idrak etme usulleri, moleküler biyoloji, kuantum mekaniği, analitik kimya başlıca uygulama alanlarıdır. Ultraviyole spektral usulleri etraf biliminde, infrared IR spektral usuller de bağlantı alanlarında kullanılan spektral bölgelerdir. Neon aydınlatma, atomik spektroskopinin bir uygulamasıdır. Neon lambalar, mürekkepler, boyalar ve muhtelif renk imallerinde spektral özellikleri araştırılan kimyevi bileşikler kullanılır. Azot dioksit, sık kullanılan moleküler spektrumlardan biridir ve karakteristik olarak kırmızı absorbsiyon özelliğine sahiptir. Radar tekniklerinde de spektroskopi usulleri kullanılmaktadır. Tıp alanında sık kullanılan Manyetik Titreşim MR Spektroskopi aygıtları, muhtelif hastalıkların teşhis ve rehabilitasyonunda ehemmiyetli aygıtlardır. Spektral görüntüleme, dijital resimciliğe dayalı bir spektroskopi dalıdır. Astronomi, astrofizik, plaentoloji, nükleer füzyon sınamaları ve plazma incelemeyi gibi uygulamalarda spektroskopi usulleri kullanılır.

Spektroskopi, bir numunedeki bileşiklerin tabiatını ve özelliklerini belirlemek için, kimyevi süreçlerin ilerlemesini izlemek ve mahsullerin saflığını değerlendirmek için, elektromanyetik ışınımın bir numune üzerindeki tesirini ölçmek için kullanılabilir. Bazı vaziyetlerde, bu ışınım kaynağına maruz kalma yoğunluğunu veya vaktini tanımlamak için de kullanılabilmektedir.

Spektroskopi Terimleri

Spektroskopide sık tesadüfülen bazı terimler şunlardır;

Spektrum Spektral çizgi; spektroskopiden elde edilen bilgilere denir. Bir spektrum, enerjinin dalga boyuna veya kütle, momentum ve frekansına karşı tespit edilen enerji yoğunluğunun bir grafiğidir. Spektrumlar, çoğu zaman bir numunenin bileşenlerini belirlemek için kullanılır. Numunedeki materyal ölçüsünün ölçümü için de spektrumlar kullanılır. İki düzey arasındaki geçişe karşılık gelen soğurma enerjisidir. Spektroskopide geçiş frekanslarına karşı gelen spektrumlar araştırılır. Bu spektrumların yerleri frekans olarak tanımlanır.

Spektroskopinin ana mevzusu ve temeli “ışık”tır. Işık; omega frekansı ile periyodik olarak değişen, elektrik alanı ve manyetik alan vektörleri ile karakterize edilen elektromanyetik dalgadır. Kolay bir deyimler, dalga yayınımıdır. Bir yükün yüksek frekans ile titreşimi neticeyi oluşur. Absorbsiyon ve saçılma da elektromanyetik dalganın bu cins osilatörleri zorlaması neticeyi ortaya çıkar.

Öteki bir spektroskopi terimi olan foton ise, elektromanyetik dalganın toplam enerjisini oluşturan enerji koliciklerinden her biri için kullanılan addır. Elektromanyetik dalga, ışık sürati ile ilerler ve enerji içeriğini de fotonlar halinde kendisi ile birlikte taşır. Ebedi ömrü vardır. Başka şeylere dönüşmez veya bozunmaz. Sakin kütlesi “sıfır” olarak kabul edilir.

Spektroskopi terimlerinden elektron, en ufak elektrik yüküne sahip temel parçacıktır. Atomların ve iyonların dış kabukları elektron bulutu ile kaplıdır. Bir maddenin dış kabuğundaki elektronların rakamı ve konumu, çekirdekteki proton ve nötron rakamı ile beraber mevzubahisi madde veya elementin kimyevi özelliklerini tanımlar.

Radyo frekansı; elektromanyetik spektroskopinin son aralığını oluşturan frekanstır. Enerji bakımından oldukça cılızdır. Radyo frekansı ile spektroskopi analizleri, çekirdek spinleri ile onlara uygulanan manyetik alan arasındaki etkileşimleri içerir.

Bunları Öğreniyor Musunuz?

Bir Hayli elementin keşfedilmesinde ve özelliklerinin tanımlanmasında spektroskopi usulleri kullanılmıştır.
Spektroskopi uygulamalarında spektrometre, spektrofotometre interferometre, spektrograf ve spektral analizör gibi makineler kullanılır.
Rayleigh saçılımı; gökyüzünün rengini açıklayan spektroskopik saçılmadır. Işığın veya öteki elektromanyetik ışınımın ışığın dalga boyundan daha ufak tanecikler tarafından saçılımını ifade eder. İngiliz fizikçi Lord Rayleigh’in ortaya attığı kurama göre, mavi gökyüzünün yansıması, su, hava ve hudut bölgelerinde oluşan görüntü ile suyun mavi olarak idrak edilmesini sağlar.
Spektroskopinin ilk keşfedildiği yarıyıllarda yalnızca görünür ışık kaynakları kullanılıyordu. Günümüzde ise görünür veya görünmek bir hayli kaynak kullanılmaktadır.