Spektroskopi Nedir? (Özellikleri, Çeşitleri)
Spektroskopi; maddelerin veya cisimlerin özelliklerini ışın ve parçacık gibi etkenler kullanılarak çeşitli tekniklerle inceleme yöntemlerinin genel adıdır.
Spektroskopi, bir maddenin özelliklerinin, soğrulan (emilen) parçacıklar, ışık veya ses aracılığı ile incelendiği bir işlemdir. Moleküllerin, iyonların ve çekirdeklerin “kuantumlanmış” enerji düzeylerini belirleyen bir yöntemdir. Kimyasal analizlere bağlı değildir. Spektrumsal analizler de, kimyasal analizlerden oluşmaz. Fizik, fonotik ve optik temelli tekniklerdir. Deneysel olarak yalnızca frekans ölçümlerini içerir. Uygun olan her maddede veya her yerde kullanılabilir. Astrofizik, tıp, elektrokimya, nükleer fizik, nükleer kimya, analitik kimya ve moleküler biyoloji gibi birçok alanda spektroskopiden faydalanılabilmektedir. Spektroskopinin tarihinden çeşitlerine kadar birçok bilgili makalemizde bulabilirsiniz.
Tarihi
Spektroskopi terimi, ilk olarak Alman asıllı İngiliz fizikçi Sir Franz Arthur Friedrich Schustter tarafından 1882 yılında kullanılmıştır. Spektroskopinin geçmişi, Newton’un 17. yüzyılda güneş ışığının çeşitli renklerden oluştuğunu gösteren deneyine kadar dayanıyor. Newton’un meşhur “prizma deneyi”, spektroskopinin başlangıcı olarak kabul ediliyor. 19. yüzyılın başlarında elektromanyetik ışımanın (ultraviyole gibi) anlaşılması ile “Newton spektrumu” genişlemiştir. Spektral çizgilerin incelenmesi sonucu, bu çizgilerin, maddelerin karakteristik özelliklerini gösterdiği ortaya çıktı. Ancak ilk tespitlerden itibaren uzun süre bu çizgilerin çoğunun ne ifade ettiği anlaşılamadı. Niels Bohr’un “atom teorisi” ile 1885 yılında Balmer tarafından gözlemlenen hidrojen atomları spektrumları anlam kazandı.
Bu gelişme, spektroskopi ve kuantum fiziğinin gelişimini hızlandırdı. Bu sayede atomların, moleküllerin ve katıların spektrumları alınabildi ve tanımlanabildi. 19. yüzyılın ilk yarısında spektrometreler geliştirildi. Bu cihazlarla pek çok elementin veya maddenin spektral çizgileri gözlemlendi, tanımlandı ve sınıflandırıldı. Daha sonra geliştirilen “kırılım ağlı” spektrometreler, spektroskopi alanında önemli gelişmelere kapı araladı ve büyük ilerlemeler kaydedildi.
“Spektroskopi” kelimesi, Latince “ruhtaki resim” veya “ruhun resmi” gibi anlamındaki bir sözcüktür. Latince “bakmak” anlamındaki “specele”, Yunanca “görmek” anlamındaki “skopya” sözcükleri ile de bağlantılıdır.
Tanım
Spektroskopinin en basit tanımı; analiz yapmak için enerji ile bir numunenin etkileşiminin incelenmesidir. Maddelerin özelliklerinin belirlenmesi, madde ile ışık arasındaki etkileşiminin incelenmesi, maddelerin ışık aracılığı ile tanımlanmaları gibi uygulamalarda ışık, ses veya parçacıklar kullanılarak bazı veriler elde edilmesi yöntemidir. Başka bir tanıma göre de, spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim veya bir numune tarafından saçılması, yansıtılması, soğurulması (emilmesi) veya salınmasını inceleyen bilim dalıdır. Spektroskopik analiz yöntemlerinde herhangi 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 davranışı incelenir ve ölçülür. Deneysel frekanslardan yararlanılarak atomlar, moleküller veya çekirdekler arasındaki kuvvetlerin etkileşimleri incelenir. Bu atom, molekül ya da çekirdeklerin yapılarını ortaya koyacak deneysel verileri toplamaya imkân verir. Spektroskopide; atom ve molekül enerji seviyeleri, moleküler geometriler, kimyasal bağlar, moleküllerin etkileşimleri ve ilgili süreçler hakkında veriler toplanır. Bu veriler 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 radyasyon, bir numunedeki elektronları ve kimyasal bağları etkiler. Bazı durumlarda emilen radyasyon düşük enerjili fotonların emisyonuna neden olur. Spektroskopi, radyasyonun numuneyi nasıl etkilediğine bakar. Yayılan ve absorbe edilen spektrumlar materyal hakkında bilgi edinmek için kullanılabilir. Etkileşim, radyasyonun dalga boyuna bağlı olduğu için birçok spektroskopi türü bulunur.
Spektroskopi Çeşitleri
Spektroskopi, sürekli gelişme gösteren bir alandır. Hem var olan tekniklerin iyileştirilmesi ve geliştirilmesi hem de yeni yöntemlerin önerilmesi bu alanı sürekli canlı tutmaktadır. Bu sebeple günümüzde pek çok spektroskopi yöntemi kullanılmaktadır. İlk uygulamalarından “optik spektroskopi” yöntemi, diğer yöntemlerin temelini oluşturur. Spektroskopi yöntemlerinde maddenin elektromanyetik radyasyonu yayması, absorblaması (emmesi), saçması, saptırması gibi elektromanyetik radyasyonla etkileşimi ölçülür. Bu etkileşimin sonuçları çeşitli analizlerde ve analitik amaçlarla kullanılır. Spektroskopik yöntemlerde mikrodalga, radyo dalgaları ve x ışınları gibi elektromanyetik olan veya olmayan ışınımlar da kullanılmaktadır. Günümüzde spektroskopi; farklı teknik, farklı madde durumu, kullanılan spektral aralık veya parçacık türüne göre alt dallara ayrılmaktadır. Çok sayıdaki spektroskopi çeşidinden başlıcaları şunlardır;
- Optik Spektroskopi: Numunenin karakteristik özelliklerini belirlemede kullanılan önemli bir yöntemdir. Katı numunedeki optik aktif 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 tanımlamak için sıkça kullanılıyor olmasına rağmen, emici moleküllerin sayısını ölçmek için kızılötesi spektroskopisi de kullanılabilir.
- Morötesi (görünür bölge, ultraviyole) Işık Spektroskopisi: Moleküllerdeki elektronik geçişlerin verdiği spektrumları konu alır. “Elektronik spektroskopi” olarak da bilinir. Morötesi spektrofotometrelerinde cam veya kuvars prizma bulunur ve kullanırken ışığın herhangi bir frekanslı UV veya görünür bölgesi seçilir. Işık örnekten geçtikten sonraki absorbsiyonu veya geçirgenliği incelenir.
- Raman Spektroskopisi: Bir molekülün ışığının Raman dağılımı, bir numunenin kimyasal bileşimi ve moleküler yapısı hakkında bilgi toplamak amacıyla kullanılır. Organik ve inorganik numunelerde, yüksek hassasiyette ve mikronaltı skalalarda görüntüleme ve kimyasal analiz imkânı verir.
- Astronomik Spektroskopi: Gökyüzü nesnelerinden gelen enerji, kimyasal bileşimi, yoğunluğu, basıncı, sıcaklığı, manyetik alanı, hızı ve diğer özelliklerini analiz etmek için kullanılır. Astronomik spektroskopide kullanılabilecek birçok enerji türü (spektroskopi) vardır.
- Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (NMR Spektroskopisi): Atom çekirdeğinin belirli manyetik özelliklerini kullanan bir araştırma tekniğidir. İçerisindeki atomların veya moleküllerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirler. Tek sayılı atom numarasına sahip atomların çekirdek spinleri vardır. Bu spinler manyetik alanın olmadığı ortamlarda rastgele yönelim dağılımı gösterirler. Ancak manyetik alan varlığında bu spinler manyetik alana paralel veya anti paralel şekilde yönelirler. Paralel yönelim enerji açısından daha uygundur. Bu spinler, uygun manyetik alan ve elektromanyetik ışınım kombinasyonu ile anti paralel duruma getirilebilir. Bu dönüşüm (geçiş) için gerekli olan soğrulan enerji NMR spektrometresinde algılanır. İlgili çekirdeğin türü ve bulunduğu ortama göre rezonanslar değişkenlik gösterir.
- Kütle Spektroskopisi: Bir kütle spektrometresi kaynağı, iyonlar üretir. Genellikle kütle / yük oranı kullanılarak, numuneyle etkileşime girdikleri zaman iyonların dağılımını analiz ederek numune hakkında bilgi toplanır. İyonlaşma bölgesinde elde edilen hareketli iyonlar, elektrik yüklü plakalara doğru çekilerek hızlandırılır ve kütle ayracına gönderilir. Kütle ayracında kütle / yük oranlarına göre hızlıca ayrılır. İyonların çoğu tek yüklü olduğundan, oran basitçe iyonun kütlesine eşittir. Kuadrupol, uçuş zamanlı ve çift odaklamalı şeklinde alt türleri vardır.
- Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS): Sulu ortamlarda metallerin elektrokimyasal reaksiyonlarını inceler. Korozyon süreci, elektrotların modifikasyonu ve performansı açık hücre potansiyeli, döngüsel voltametri gibi durumlar incelenir.
- Atomik Emisyon Spektroskopisi: Numunenin emdiği enerjinin özelliklerini değerlendirmek için kullanılır. Bazen emilen enerji, ışığın floresans spektroskopisi gibi bir teknikle ölçülebilen örnekten salınmasına neden olur. Görünür ve ultraviyole ışınları içerir. “Atomik spektral çizgiler” olarak da adlandırılır. Atomik emsiyonda absorbsiyonlar ve emisyonlar; bir elektron yörüngesinden diğerine yükseldikçe ve düştükçe dış kabuk elektronlarının elektronik geçişlerinden kaynaklanır.
- Zayıflatılmış Yansıma Spektroskopisi: İnce filmlerdeki veya yüzeydeki maddelerin incelenmesini içerir. Numune, bir veya daha fazla enerji ışını tarafından nüfuz edilir ve yansıtılan enerji analiz edilir. Zayıflamış toplam “reflektans spektroskopisi” ve “frustrated çoklu iç yansıma spektroskopisi” adı verilen ilgili teknikler, kaplamaları ve opak sıvıları analiz etmek için kullanılır.
- Elektron Paramatik Spektroskopi: Bir manyetik alanda elektronik enerji alanlarını bölmeye dayalı bir mikrodalga tekniğidir. Eşlenmemiş elektron içeren numunelerin yapılarını belirlemek için kullanılır.
- Elektron Spektroskopisi: Elektron spektroskopisinin çeşitli türleri vardır ve bunların hepsi elektronik enerji seviyelerindeki değişimleri ölçmekle ilişkilendirilmiştir.
- Fourier Dönüşüm Spektroskopisi: Bir numune üzerinde eş zamanlı olarak tüm ilgili dalga boyları tarafından ışınlanan spektroskopik teknikler ailesidir. Absorpsiyon spektrumu, oluşan enerji modeline bir matematiksel analiz uygulayarak elde edilir.
- Gama Işını veya Mössbauer Spektroskopisi: Gama radyasyonu, aktivasyon analizi ve Mossbauer spektroskopisini içeren bir enerji kaynağı incelemesidir. Fizik, kimya, biyoloji ve malzeme bilimi gibi alanlarda kullanılır. Kilit noktası; 1957 yılında Rudolf Mössbauer tarafından bulunan “Mössbauer etkisi”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, tutarlı ışığın madde ile etkileşimi hakkında bilgi sağlar. Lazer spektroskopisi genellikle yüksek çözünürlük ve duyarlılığa sahiptir.
- Frekans Modülasyonlu Spektroskopi: Bu tür spektroskopide, kaydedilen her optik dalga boyu orijinal dalga boyu bilgisini içeren bir ses frekansı ile kodlanır. Daha sonra bir dalga boyu analizörü özgün spektrumu yeniden oluşturabilir.
- X-ışını Spektroskopisi: Bu teknik, x-ışını emilimi olarak görülebilen atomların iç elektronlarının uyarılmasını içerir. Bir elektron daha yüksek bir enerji durumundan 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 birçok bilim dalında kullanılmaktadır. Gökbilim, uzaktan algılama yöntemleri, moleküler biyoloji, kuantum mekaniği, analitik kimya başlıca uygulama alanlarıdır. Ultraviyole spektral yöntemleri çevre biliminde, infrared (IR) spektral yöntemler de iletişim alanlarında kullanılan spektral bölgelerdir. Neon aydınlatma, atomik spektroskopinin bir uygulamasıdır. Neon lambalar, mürekkepler, boyalar ve çeşitli renk üretimlerinde spektral özellikleri incelenen kimyasal bileşikler kullanılır. Azot dioksit, sık kullanılan moleküler spektrumlardan biridir ve karakteristik olarak kırmızı absorbsiyon özelliğine sahiptir. Radar tekniklerinde de spektroskopi yöntemleri kullanılmaktadır. Tıp alanında sık kullanılan Manyetik Rezonans (MR) Spektroskopi cihazları, çeşitli hastalıkların teşhis ve tedavisinde önemli cihazlardır. Spektral görüntüleme, dijital fotoğrafçılığa dayalı bir spektroskopi dalıdır. Astronomi, astrofizik, plaentoloji, nükleer füzyon denemeleri ve plazma analizi gibi uygulamalarda spektroskopi yöntemleri kullanılır.
Spektroskopi, bir numunedeki bileşiklerin doğasını ve özelliklerini tanımlamak için, kimyasal süreçlerin ilerlemesini izlemek ve ürünlerin saflığını değerlendirmek için, elektromanyetik radyasyonun bir numune üzerindeki etkisini ölçmek için kullanılabilir. Bazı durumlarda, bu radyasyon kaynağına maruz kalma yoğunluğunu veya süresini belirlemek için de kullanılabilmektedir.
Spektroskopi Terimleri
Spektroskopide sık rastlanan bazı terimler şunlardır;
Spektrum (Spektral çizgi); spektroskopiden elde edilen verilere denir. Bir spektrum, enerjinin dalga boyuna veya kütle, momentum ve frekansına karşı tespit edilen enerji yoğunluğunun bir grafiğidir. Spektrumlar, çoğu zaman bir numunenin bileşenlerini tanımlamak için kullanılır. Numunedeki materyal miktarının ölçümü için de spektrumlar kullanılır. İki düzey arasındaki geçişe karşılık gelen soğurma enerjisidir. Spektroskopide geçiş frekanslarına karşı gelen spektrumlar incelenir. Bu spektrumların yerleri frekans olarak belirlenir.
Spektroskopinin ana konusu ve temeli “ışık”tır. Işık; omega frekansı ile periyodik olarak değişen, elektrik alanı ve manyetik alan vektörleri ile karakterize edilen elektromanyetik dalgadır. Basit bir tabirler, dalga yayınımıdır. Bir yükün yüksek frekans ile titreşimi sonucu oluşur. Absorbsiyon ve saçılma da elektromanyetik dalganın bu tür osilatörleri zorlaması sonucu ortaya çıkar.
Diğer bir spektroskopi terimi olan foton ise, elektromanyetik dalganın toplam enerjisini oluşturan enerji paketçiklerinden her biri için kullanılan isimdir. Elektromanyetik dalga, ışık hızı ile ilerler ve enerji içeriğini de fotonlar halinde kendisi ile beraber taşır. Sonsuz ömrü vardır. Başka şeylere dönüşmez veya bozunmaz. Durgun kütlesi “sıfır” olarak kabul edilir.
Spektroskopi terimlerinden elektron, en küçük elektrik yüküne sahip temel parçacıktır. Atomların ve iyonların dış kabukları elektron bulutu ile kaplıdır. Bir maddenin dış kabuğundaki elektronların sayısı ve konumu, çekirdekteki proton ve nötron sayısı ile birlikte söz konusu madde veya elementin kimyasal özelliklerini belirler.
Radyo frekansı; elektromanyetik spektroskopinin son aralığını oluşturan frekanstır. Enerji bakımından oldukça zayıftır. Radyo frekansı ile spektroskopi incelemeleri, çekirdek spinleri ile onlara uygulanan manyetik alan arasındaki etkileşimleri içerir.
Bunları Biliyor Musunuz?
- Birçok elementin keşfedilmesinde ve özelliklerinin belirlenmesinde spektroskopi yöntemleri kullanılmıştır.
- Spektroskopi uygulamalarında spektrometre, spektrofotometre (interferometre), spektrograf ve spektral analizör gibi cihazlar kullanılır.
- Rayleigh saçılımı; gökyüzünün rengini açıklayan spektroskopik saçılmadır. Işığın veya diğer elektromanyetik radyasyonun ışığın dalga boyundan daha küçük tanecikler tarafından saçılımını ifade eder. İngiliz fizikçi Lord Rayleigh’in ortaya attığı teoriye göre, mavi gökyüzünün yansıması, su, hava ve sınır bölgelerinde oluşan görüntü ile suyun mavi olarak algılanmasını sağlar.
- Spektroskopinin ilk keşfedildiği dönemlerde sadece görünür ışık kaynakları kullanılıyordu. Günümüzde ise görünür veya görünmek birçok kaynak kullanılmaktadır.