Spektroskopi tarihi

Cam prizmadan kırılarak spektruma ayrılan ışık. Renk dağılım açıları görselleştirme için abartılmıştır. Batı dünyasında modern spektroskopi 17. yüzyılda başlamıştır. Özellikle prizmalar olmak üzere optik bilimi alanındaki ilerlemeler, güneş spektrumunun sistematik biçimde gözlemlenebilmesine olanak verdi. Isaac Newton , beyaz ışığı oluşturmak üzere birleşen gökkuşağı renklerini tarif etmek için spektrum kelimesini kullanan ilk kişi oldu. 1800'lerin başında Joseph von Fraunhofer , spektroskopinin daha hassas ve niceliksel bir bilimsel teknik haline gelmesine imkân veren dağınımlı spektrometreler ile deneyler yaptı. O zamandan beri spektroskopi kimya , fizik ve astronomi alanlarında önemli bir rol oynadı ve oynamaya devam ediyor. Fraunhofer, birkaç tanesi daha önce Wollaston tarafından gözlemlenmiş olmasına rağmen, artık kendi adıyla anılan Güneş'in spektrumundaki koyu çizgileri gözlemlemiş ve ölçmüştür. [ 1 ]

Kökenleri ve deneysel gelişimi Romalılar bir prizmanın gökkuşağı renklerini oluşturabildiğini zaten biliyorlardı. [ 2 ] Newton, bilindiği üzere spektroskopinin kurucusu olarak kabul edilir ancak güneş spektrumunu ilk çalışan ve raporlayan bilim insanı Newton değildi. Athanasius Kircher (1646), Jan Marek Marci (1648), Robert Boyle (1664) ve Francesco Maria Grimaldi 'nin (1665) çalışmaları Newton'un optik bilimi deneylerinden (1666-1672) önce gelmektedir. [ 3 ] Newton " Opticks " adlı eserinde ışığın dağılımı üzerine deneylerini ve teorik açıklamalarını yayınlamıştır. Newton'un deneyleri beyaz ışığın bir prizma yoluyla bileşen renklerine ayrılabileceğini ve bu bileşenlerin tekrar beyaz ışığı meydana getirmek üzere bir araya getirilebileceğini göstermiştir. Newton prizmanın renkleri açığa vurmadığını veya meydana getirmediğini, ama beyaz ışığı bileşenlerine ayırdığını göstermiştir. [ 4 ] Newton'un ışığın parçacık teorisi , dalga teorisi ile giderek daha başarılı olmuştur. Dağılan ışığın niceliksel ölçümünün tanınması ve standartlaşması 19uncu yüzyıldan önce gerçekleşmemiştir. Daha sonraki birçok spektroskopik deneyler gibi, Newton'un beyaz ışık kaynakları, alevler, güneş ve yıldızlardan meydana geliyordu. Prizmalarla daha sonra yapılan deneyler, spektrumun özellikle kimyasal bileşenlerle birleştiğinin ilk göstergelerini sağlamıştır. Bilim insanları, alkol alevlerine tuz eklendiğinde rengin farklı desenlerinin emisyonunu gözlemlemişlerdir. [ 5 ] Görsel görünür Fraunhofer çizgileriyle güneş spektrumu. Joseph von Fraunhofer , dalgaboyu dağılım kaynağı olarak bir prizmayı bir kırınım ağı ile değiştirerek önemli bir deneysel aşama kaydetmiştir. Fraunhofer, kendi çalışmalarını Thomas Young , François Arago ve Augustin-Jean Fresnel tarafından geliştirilen ışık girişim teorilerinin üzerine oluşturmuştur. Fraunhofer, bir kırınım ağı oluşturmak için ışığın tek bir dikdörtgen yarıktan, iki yarıktan ve vs, binlerce yarığı yakın biçimde yerleştirmek suretiyle bir yol elde ederek, geçen ışığın etkisinin göstermek için kendi deneylerini yürütmüştür. Bir kırınım ağı ile elde edilen girişim hem bir prizmadaki spektrum çözünürlüğünü arttırır hem de dağılan dalgaboylarının ölçülebilmesine imkân verir. Fraunhofer'in ölçülen dalgaboyu ölçeğini tespiti çoklu ortam laboratuvarlarında, çoklu kaynaklardan (alevler ve güneş) ve farklı aygıtlarla gözlemlenen eşleştirme spektrumuna giden yolu açmıştır. Fraunhofer güneş spektrumunun ve gözlemlediği karanlık çizgilerin sistematik gözlemlerini yürütmüş ve yayınlamış ve günümüzde hala Fraunhofer çizgileri olarak bilinen dalgaboylarını tanımlamıştır. [ 6 ] 1800'lerin başında, birkaç bilim insanı spektroskopi teknikleri ve anlayışını daha ileriye götürmüştür. [ 7 ] [ 8 ] 1820'de John Herschel ile William H. F. Talbot alev spektroskopisini kullanarak tuzların sistematik gözlemlerini gerçekleştirmişlerdir. [ 9 ] 1835'te Charles Wheatstone farklı metallerin kıvılcımlarının emisyon spektrumundaki farklı parlak çizgilerle ve dolayısıyla alev spektroskopisi için alternatif bir mekanizma ortaya çıkararak kolaylıkla ayırt edilebileceğini açıklamıştır. [ 10 ] 1849'da, J.B.L.Foucault , aynı dalgaboyunda görünen absorpsiyon ve emisyon çizgilerinin her ikisinin de nedeninin aynı madde olduğunu, ikisinin arasındaki farklılığın ışık kaynağının sıcaklığından kaynaklandığını deneysel olarak göstermiştir. [ 11 ] 1853'te İsveçli fizikçi Anders Jonas Ångström , Optiska Undersökningar (Optik çalışmalar) isimli çalışmasında gaz spektrumu üzerine gözlemlerini ve teorilerini İsveç Kraliyet Bilim Akademisine sunmuştur. Ångström akkor halindeki bir gazın absorbe edebileceği aynı dalga boyundaki ışık ışınlarını yaydığını öne sürmüştür. Ångström, Foucalt'ın deneysel sonuçlarından haberdar değildi. Aynı zamanda George Stokes ve William Thomson (Kelvin) da benzer önermeleri tartışıyorlardı. [ 11 ] Ångström, daha sonra Balmer çizgilerini tanımlayan hidrojenden emisyon spektrumunu da ölçtü. [ 12 ] 1854 ve 1855'te David Alter hidrojenin Balmer çizgilerinin bağımsız gözlemi dahil, metallerin ve gazların spektrumuna ilişkin gözlemlerini yayınladı. [ 13 ] Kirchhoff ve Bunsen Spektroskopu Spektrumun sistematik biçimde kimyasal elementlere dayandırılması 1860'ta Alman fizikçi Gustav Kirchhoff ve kimyacı Robert Bunsen ’in çalışmasıyla başlamıştır. Bunsen ve Kirchhoff, Fraunhofer’in optik tekniklerini, Bunsen’in geliştirilmiş alev kaynağını ve çok sistematik deneysel bir süreci kimyasal bileşenler spektrumunun detaylı bir incelemesinde uyguladılar. Bunsen ve Kirchhoff, kimyasal elementler ve onların benzersiz spektral desenleri arasındaki bağlantıyı tespit ettiler. Süreç içinde analitik spektroskopi tekniğini oluşturdular. 1860'ta sekiz elementin spektrası hakkındaki bulgularını yayınladılar ve bu elementlerin birçok doğal bileşik içindeki varlığını tanımladılar. [ 14 ] [ 15 ] Bunsen ve Kirchhoff spektroskopinin kimyasal analizlerin izlenmesinde kullanılabileceğini gösterdiler ve keşfettikleri birçok kimyasal element daha önceden bilinmiyordu. Kirchhoff ve Bunsen ayrıca, kendi karşılık gelen spektralarına dayalı olarak belirli elementlere güneş soğurma çizgileri atfederek soğurma ve emisyon çizgileri arasındaki bağlantıyı tam olarak tespit ettiler. [ 16 ] Kirchhoff, günümüzde Kirchhoff’un Termal Radyasyon Yasası olarak bilinen yasa dahil, spektral soğurma ve emisyonun niteliği hakkındaki temel araştırmalara katkıda bulunmaya devam etti. Kirchhoff’un bu yasayı spektroskopiye uygulaması spektroskopinin üç yasasına yansıtıldı: Yüksek basınç altında akkor halindeki bir katı, sıvı veya gaz sürekli bir spektrum yayar. Düşük basınç altında sıcak bir gaz bir “parlak-çizgi” veya emisyon-çizgi spektrumu yayar. Soğuk, düşük yoğunluklu gaz yoluyla görüntülenen sürekli bir spektrum kaynağı bir soğurma-çizgi spektrumu üretir. 1860'ta William Huggins ve karısı Margaret spektroskopiyi yıldızların dünyada bulunan aynı elementlerden meydana geldiğini tespit etmek için kullanmışlardır. 1868'de eksensel hızını tespit edebilmek için göresiz Doppler-kaymasını ( kırmızıya kayma ) Sirius yıldızının spektrum denkleminde de kullanmışlardır. [ 17 ] Kedi Gözü bulutsusu (NGC 6543) analiz edildiği zaman bir gezegensi bulutun spektrumunu ilk alanlar da onlardı. [ 18 ] Spektral teknikler kullanarak, bulutsuları galaksilerden ayırabiliyorlardı. Johann Balmer 1885'te dört görünür hidrojen çizgisinin tam sayılarla ifade edilebilecek bir serinin parçası olduğunu keşfetti. Bunu birkaç yıl sonra, ilave çizgi serilerini tarifleyen Rydberg formülü takip etti. Bu arada, Maxwell (1873) tarafından gerçekleştirilen geçmiş deneyimlerin somut bir özeti onun elektromanyetik dalga denklemleriyle neticelendi.

Kuantum mekaniğinin gelişimi Yirminci yüzyılında başlarında, spektroskopi araştırması kuantum mekaniğinin gelişimine önemli katkı yaptı. Kuantum mekaniği spektroskopik gözlemlerin anlaşılması için bir açıklama ve teorik çerçeve sağladı.

Lazer spektroskopisi Lazer ve ondan önce gelen maser , spektroskopi uzmanları tarafından keşfedilmiştir. Lazerler deneysel spektroskopiyi önemli ölçüde ilerlettiler.