Spektroskopi

Spektroskopi elektromanyetik radyasyon ile maddenin etkileşiminin radyasyonun dalga boyu veya frekansının bir fonksiyonu olarak ortaya çıkan elektromanyetik spektrumu (tayf) ölçen ve yorumlayan bir çalışma alanıdır. Başka bir deyişle, elektromanyetik spektrumun tüm bantlarında görünür ışıktan kaynaklı olarak meydana gelen bir kesin renk çalışmasıdır.

Spektroskopi başta elektromanyetik spektrum olmak üzere astronomi, kimya, malzeme bilimi ve fizikte maddenin bileşiminin, fiziksel yapısının ve elektronik yapısının atomik, moleküler veya makro ölçeğinde ya da astronomik mesafelerde araştırılmasına olanak sağlayan temel bir keşif aracıdır.

Tarihsel olarak spektroskopi bir prizma tarafından dağıtılan görünür ışığın gaz fazındaki madde tarafından soğurulmasının dalga boyuna olan bağımlılığının incelenmesi olarak ortaya çıkmıştır. Spektroskopinin güncel uygulamaları tıbbi görüntüleme ve doku analizi alanlarında kullanılmakta olan biyomedikal spektroskopiyi de kapsamaktadır. Madde dalgaları ve akustik dalgalar ışınım enerjisinin formları olarak kullanılabilmekte olup, yakın dönemde kütleçekimsel dalgalar Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) bağlamında bir spektral imzayla ilişkilendirilmiştir.

Spektroskopi, maddenin yapısı ve özellikleri hakkında bilgi edinmek için spektrografik ekipman ve diğer tekniklerle ölçülen dalga boyu veya frekansının bir fonksiyonu olarak elektromanyetik radyasyonun spektrumları ile ilgilenen bir bilim dalıdır. Spektral ölçüm cihazları spektrometreler, spektrofotometreler, spektrograflar veya spektral analizörler olarak adlandırılır. Laboratuvardaki çoğu spektroskopik analiz, analiz edilecek bir örnekle başlar, ardından ışık spektrumunun istenen herhangi bir aralığından bir ışık kaynağı seçilir, ardından ışık örnekten bir dağılım dizisine (kırınım ızgarası aleti) gider ve bir fotodiyot tarafından yakalanır. Astronomik amaçlar için, teleskop ışık dağılım cihazı ile donatılmış olmalıdır. Bu temel kurulumun kullanılabilecek çeşitli versiyonları bulunmaktadır.

Spektroskopi Isaac Newton tarafından bir prizma vasıtasıyla ışığın parçalara ayrılmasıyla başlamıştır. Aynı zamanda modern optiğin başlangıcı da olan bu gelişimin çalışma alanı, renk olarak bildiğimiz görünür ışığın incelenmesi şeklinde başlamış, daha sonrasında ise James Clerk Maxwell'in çalışmaları neticesinde tüm elektromanyetik spektrumu içerecek biçimde genişlemiştir. Renk spektroskopinin bir parçası olsa da nesnelere gözümüze renk hissi vermek için belirli elektromanyetik dalgaların emilmesini ve yansımasını içeren elementlerin veya nesnelerin rengiyle aynı kavram değildir. Bundan farklı olarak spektroskopi, ışığın bir prizma, kırınım ızgarası veya benzer bir aletle bölünmesini ve her bir farklı element tipine özgü "spektrum" adı verilen belirli bir ayrık çizgi deseninin ortaya çıkmasını inceler. Çoğu element, spektrumlarının incelenmesine olanak sağlayabilmek amacıyla ilk olarak bir gaz fazına konulmaktadır, fakat günümüzde farklı fazlar üzerinde başka yöntemler de kullanılabilmektedir. Prizma benzeri bir aletle içinden geçen ışığı kırdırılan her element, soğutma veya ısıtmaya bağlı olarak ya bir soğurma spektrumu ya da bir emisyon spektrumu sonucunu vermektedir.

Yakın zamana kadar tüm spektroskopi çalışmaları çizgi tayflarının incelenmesini içermekteydi ve çoğu çalışma hala daha bu kapsamda yürütülmektedir. Bununla birlikte, spektroskopideki son gelişmeler sonucunda kimi zamanlarda tayf dağılım tekniği göz ardı edilebilmektedir. Örneğin, biyokimyasal spektroskopide, emilim ve ışık saçılması teknikleri ile biyolojik doku hakkında bilgi toplanabilir. Işık saçılma spektroskopisi, elastik saçılmayı inceleyerek doku yapılarını belirleyen bir yansıma spektroskopisi türüdür. Böyle bir durumda, bir kırınım veya dağılım mekanizması olarak hareket eden dokudur.

Spektroskopi çalışmaları Bohr modeli, Schrödinger denklemi ve Matris mekaniği gibi hidrojenin spektral çizgilerini ortaya çıkaran ilk işlevsel atom modelleri sayesinde hidrojen atomunun spektrum ile tanımlanabilmesiyle ayrık hidrojen spektrumu ile ayrık kuantum sıçramalarını birbiriyle eşleştiren temel argümanları sağlayarak kuantum mekaniğinin gelişiminin merkezinde yer almıştır. Ayrıca, Max Planck'ın bir fotometre kullanarak ışığın dalga boyunu karanlık maddenin sıcaklığıyla karşılaştırılabilmesine imkan veren karanlık madde radyasyonu da spektroskopinin çalışma alanlarından birisidir. Spektroskopi atomların ve moleküllerin kendilerine özgü spektrası bulunması nedeniyle fiziksel ve analitik kimya alanında da kullanılmaktadır. Bunun sonucu olarak bu spektrumlar atomların ve moleküllerin tespit edilmesi, tanımlanması ve miktar bilgilerinin elde edilmesinde kullanılır. Spektroskopi aynı zamanda Dünya'dan uzaktaki nesnelerin algılanmasında ve astronomide kullanılmaktadır. Çoğu araştırma teleskopları bünyelerinde spektrografları barındırmaktadır. Bu şekilde ölçümlenen spektrumlar yıldızlar, kara delikler ve diğer astronomik cisimlerde bulunan elementlerinin sıcaklığı, yoğunluğu ve hızı gibi fiziksel özellikleri ile cismin bileşenlerinin belirlenebilmesine katkı sağlar. Spektroskopinin önemli kullanım alanlarından biri de biyokimyadır. Molekül örnekleri türlerin kimliklendirilmesi ve enerji içeriklerinin analizi için kullanılabilmektedir.

Spktroskopide ana argüman ışığın farklı dalga boylarına ve bu dalga boylarının farklı frekanslara sahip olduğudur. Spektroskopinin önemi Periyodik Tablodaki her bir element, yaydığı veya emdiği ışığın frekansları ile tanımlanan ve ışık kırıldığında elektromanyetik spektrumun aynı kısmında sürekli olarak görünen benzersiz bir ışık spektrumuna sahip olmasıdır. Bu, içinde atom bulunan her şeyle, yani tüm maddelerle ilgili bir çalışma alanı yaratmıştır. Spektroskopi, tüm maddelerin atomik özelliklerini anlamanın anahtarı olmuştur. Bu nedenle spektroskopi, henüz keşfedilmemiş birçok yeni bilim dalının önünü açmıştır. Her atomik elementin kendine özgü bir spektral imzası olduğu fikri, spektroskopinin her biri farklı spektroskopik prosedürlerle ulaşılan belirli bir hedefe sahip çok sayıda alanda kullanılmasını sağlamıştır. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü, hassas ölçümlerle sürekli olarak güncellenen halka açık bir Atomik Spektrum Veritabanı tutmaktadır.

Spektroskopi alanının genişlemesi, elektromanyetik spektrumun herhangi bir bölümünün, kızılötesinden morötesine kadar bir numuneyi analiz etmek için kullanılabilmesi ve bilim insanlarına aynı numune hakkında farklı özellikler sunmasından kaynaklanmaktadır. Örneğin kimyasal analizde en yaygın spektroskopi türleri arasında atomik spektroskopi, kızılötesi spektroskopi, ultraviyole ve görünür spektroskopi, Raman spektroskopisi ve nükleer manyetik rezonans yer almaktadır. Nükleer manyetik rezonansta (NMR), bunun arkasındaki teori, frekansın rezonansa ve ona karşılık gelen rezonans frekansına benzer olmasıdır. Frekansa göre rezonanslar ilk olarak Galileo tarafından ünlü bir şekilde not edilen bir hareket frekansına sahip olan sarkaçlar gibi mekanik sistemlerde karakterize edilmiştir.

Spektroskopi, her biri spesifik spektroskopik tekniklerin çok sayıda uygulamasını içeren birçok alt disiplinin mevcut olduğu oldukça geniş bir alandır. Çeşitli uygulamalar ve teknikler çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir.

Elektromanyetik radyasyon, spektroskopik çalışmalar için kullanılan ilk enerji kaynağıdır. Elektromanyetik radyasyon kullanan teknikler tipik olarak spektrumun dalga boyu bölgesine göre sınıflandırılır ve mikrodalga, terahertz, kızılötesi, yakın kızılötesi, ultraviyole-görünür, x-ışını ve gama spektroskopisini içerir.

Parçacıklar, de Broglie dalgaları nedeniyle, radyatif enerji kaynağı da olabilirler. Hem elektron hem de nötron spektroskopisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir parçacık için kinetik enerjisi dalga boyunu belirler.

Absorpsiyon spektroskopisi: Soğurma, ışınım kaynağından gelen enerji malzeme tarafından emildiğinde gerçekleşir. Absorpsiyon genellikle malzemeden geçen enerji oranının ölçülmesiyle belirlenir, absorpsiyon iletilen kısmı azaltır.

Emisyon spektroskopisi: Emisyon, radyatif enerjinin malzeme tarafından salındığını gösterir. Bir malzemenin kara cisim spektrumu, sıcaklığı tarafından belirlenen spontane bir emisyon spektrumudur. Bu özellik, atmosferik yayılan radyans interferometresi gibi aletlerle kızılötesinde ölçülebilir. Emisyon ayrıca alevler, kıvılcımlar, elektrik arkları veya floresan durumunda elektromanyetik radyasyon gibi diğer enerji kaynakları tarafından da indüklenebilir.

Elastik saçılma ve yansıma spektroskopisi, gelen radyasyonun bir malzeme tarafından nasıl yansıtıldığını veya saçıldığını belirler. Kristalografi, proteinler ve katı kristallerdeki atomların düzenini incelemek için x-ışınları ve elektronlar gibi yüksek enerjili radyasyonun saçılmasını kullanır.

Elastik olmayan saçılma olayları, radyasyon ile madde arasında, saçılan radyasyonun dalga boyunu kaydıran bir enerji alışverişini içerir. Bunlara Raman ve Compton saçılması dahildir.

Tutarlı veya rezonans spektroskopisi, ışıma enerjisinin, ışıma alanı tarafından sürdürülen tutarlı bir etkileşim içinde malzemenin iki kuantum durumunu birleştirdiği tekniklerdir. Tutarlılık, parçacık çarpışmaları ve enerji transferi gibi diğer etkileşimlerle bozulabilir ve bu nedenle genellikle sürdürülmesi için yüksek yoğunluklu radyasyon gerektirir. Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi yaygın olarak kullanılan bir rezonans yöntemidir ve kızılötesi ve görünür spektral bölgelerde ultra hızlı lazer spektroskopisi de mümkündür.

Nükleer spektroskopi, maddedeki yerel yapıyı, özellikle yoğunlaştırılmış maddeyi, sıvılardaki molekülleri veya donmuş sıvıları ve biyo-molekülleri araştırmak için belirli çekirdeklerin özelliklerini kullanan yöntemlerdir.

Kuantum mantık spektroskopisi, iyon tuzaklarında kullanılan ve lazer soğutmayı, durum manipülasyonunu ve algılamayı engelleyen iç yapılara sahip iyonların hassas spektroskopisini sağlayan genel bir tekniktir. Kuantum mantığı işlemleri, kontrol edilebilir bir iyonun karmaşık veya bilinmeyen bir elektronik yapıya sahip ortak tuzaklanmış bir iyonla bilgi alışverişinde bulunmasını sağlar.

Atomik spektroskopi, geliştirilen ilk spektroskopi uygulamasıdır. Atomik absorpsiyon spektroskopisi ve atomik emisyon spektroskopisi görünür ve ultraviyole ışığı kullanmaktadır. Genellikle atomik spektral çizgiler olarak adlandırılan bu absorpsiyon ve emisyonlar, bir elektron yörüngesinden diğerine yükselip alçalan dış kabuk elektronlarının oluşturduğu elektron geçişlerinden kaynaklanır. Atomlar ayrıca, iç kabuk elektronlarının uyarılmış durumlara geçmesine atfedilebilecek farklı x-ışını spektrumlarına da sahiptir.

Farklı elementlerin atomları farklı spektrumlara sahiptir ve bu nedenle atomik spektroskopi, bir numunenin element bileşiminin tanımlanmasına ve miktarının belirlenmesine imkân sağlar. Robert Bunsen ve Gustav Kirchhoff spektroskopu icat ettikten sonra emisyon spektrumlarını gözlemleyerek yeni elementler keşfetmişlerdir. Bu atomik soğurma çizgileri güneş spektrumunda gözlemlenir ve kaşiflerinin adıyla Fraunhofer çizgileri olarak anılır. Bu spektrumun kapsamlı bir şekilde açıklanması kuantum mekaniğinin erken dönem başarılarından birini oluşturmuş ve hidrojen spektrumunda gözlemlenen Lamb kaymasını açıklayarak kuantum elektrodinamiğinin gelişmesine yol açmıştır.

Görünür ve ultraviyole geçişlerin incelenmesi için atomik spektroskopinin modern uygulamaları arasında alev emisyon spektroskopisi, indüktif olarak eşleşmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi, parıltı deşarj spektroskopisi, mikrodalga kaynaklı plazma spektroskopisi ve kıvılcım veya ark emisyon spektroskopisi bulunmaktadır. X-ışını spektrumlarını incelemek için kullanılan teknikler arasında X-ışını spektroskopisi ve X-ışını floresansı yer almaktadır.

Atomların moleküller halinde birleşmesi, benzersiz türde enerjik durumların ve dolayısıyla bu durumlar arasındaki geçişlerin benzersiz spektrumlarının oluşmasına yol açar. Moleküler spektrumlar elektron spin durumları (elektron paramanyetik rezonans), moleküler rotasyonlar, moleküler titreşim ve elektronik hallerden elde edilebilir. Rotasyonlar atom çekirdeklerinin kolektif hareketleridir ve tipik olarak mikrodalga ve milimetre dalga spektral bölgelerinde spektrumlara yol açar. Dönme spektroskopisi ve mikrodalga spektroskopisi eş anlamlıdır. Titreşimler atom çekirdeklerinin göreceli hareketleridir ve hem kızılötesi hem de Raman spektroskopisi ile incelenir. Elektronik uyarımlar görünür ve ultraviyole spektroskopisinin yanı sıra floresan spektroskopisi kullanılarak incelenir.

Atomların veya moleküllerin kristaller veya diğer genişletilmiş formlar halinde birleşmesi, ilave enerjik durumların oluşmasına yol açar. Bu durumlar çok sayıdadır ve bu nedenle yüksek bir durum yoğunluğuna sahiptir. Bu yüksek yoğunluk genellikle spektrumları daha zayıf ve daha az belirgin, yani daha geniş yapar. Örneğin, kara cisim radyasyonu bir malzeme içindeki atom ve moleküllerin termal hareketlerinden kaynaklanır. Akustik ve mekanik tepkiler de kolektif hareketlerden kaynaklanır. Bununla birlikte saf kristaller farklı spektral geçişlere sahip olabilir ve kristal düzenlemesi de gözlemlenen moleküler spektrumlar üzerinde bir etkiye sahiptir. Kristallerin düzenli kafes yapısı aynı zamanda x-ışınlarını, elektronları veya nötronları saçarak kristalografik çalışmalara olanak sağlar.

Çekirdekler ayrıca geniş ölçüde ayrılmış ve gama ışını spektrumlarına yol açan farklı enerji durumlarına sahiptir. Farklı nükleer spin durumlarının enerjileri bir manyetik alan tarafından ayrılabilir ve bu da nükleer manyetik rezonans spektroskopisine olanak sağlar.

Fourier dönüşümlü spektroskopi, interferometreler kullanılarak elde edilen spektrum verilerini işlemek için etkili bir yöntemdir. Fourier-dönüşümlü kızılötesi spektroskopi, kızılötesi spektroskopinin yaygın bir uygulamasıdır. NMR da Fourier dönüşümlerini kullanır.

Hadron spektroskopisi, hadronların enerji/kütle spektrumunu spin, parite ve diğer parçacık özelliklerine göre inceler. Baryon spektroskopisi ve mezon spektroskopisi hadron spektroskopisinin türleridir.

Hiperspektral görüntüleme, çevrenin veya çeşitli nesnelerin tam bir resmini oluşturmak için kullanılan bir yöntemdir; her piksel tam bir görünür, görünür yakın kızılötesi, yakın kızılötesi veya kızılötesi spektrum içerir.

Elastik olmayan elektron tünelleme spektroskopisi, optik olarak yasaklanmış geçişleri de ölçebilen belirli enerjilerde elastik olmayan elektron-titreşim etkileşimi nedeniyle akımdaki değişiklikleri kullanır.

Lazer spektroskopisi, atomik veya moleküler türlerin seçici olarak uyarılması için ayarlanabilir lazerler ve optik parametrik osilatörler gibi diğer tutarlı emisyon kaynaklarını kullanır.

Işık saçılma spektroskopisi (LSS), mukozal dokuyu incelemek ve erken kanser ve prekanseri tespit etmek amacıyla epitel hücrelerindeki morfolojik değişiklikleri değerlendirmek için tipik olarak kullanılan spektroskopik bir tekniktir.

Kütle spektroskopisi, kütle ölçümü için kullanılan tarihsel bir terimdir. Mevcut durumda tavsiye edilen ikinci terimin kullanılmasıdır. "Kütle spektroskopisi" terimi, iyonları tespit etmek için fosfor ekranların kullanılmasıyla ortaya çıkmıştır.

Çok değişkenli optik hesaplama, genellikle zorlu ortamlarda kullanılan ve kimyasal bilgileri bir spektrumdan analog çıktı olarak doğrudan hesaplayan tamamen optik bir sıkıştırılmış algılama tekniğidir.

Bozulmuş açısal korelasyon (PAC), kristallerdeki (yoğun madde) ve biyo-moleküllerdeki elektrik ve manyetik alanları (hiper ince etkileşimler) incelemek için radyoaktif çekirdekleri prob olarak kullanır.

Termal kızılötesi spektroskopi, malzemelerden ve yüzeylerden yayılan termal radyasyonu ölçer ve bir numunede bulunan bağların türünü ve bunların kafes ortamını belirlemek için kullanılır. Bu teknikler organik kimyacılar, mineraloglar ve gezegen bilimciler tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır.

In-ovo cinsiyetlendirme: spektroskopi, yumurtadan çıkarken yumurtanın cinsiyetinin belirlenmesini sağlar. Fransız ve Alman şirketleri tarafından geliştirilen bu yöntemle, her iki ülke de 2022 yılında çoğunlukla bir maseratör aracılığıyla yapılan civciv itlafını yasaklamaya karar vermiştir.

Spektroskopinin tarihi Isaac Newton'un optik deneyleri (1666-1672) ile başlamıştır. Andrew Fraknoi ve David Morrison'a göre, "Isaac Newton 1672'de Royal Society'ye sunduğu ilk makalede, güneş ışığının küçük bir delikten ve ardından bir prizmadan geçmesine izin verdiği bir deneyi anlattı. Newton, bize beyaz görünen güneş ışığının aslında gökkuşağının tüm renklerinin bir karışımından oluştuğunu buldu." Newton, beyaz ışığı oluşturmak için birleşerek gökkuşağını oluşturan ve beyaz ışık bir prizmadan geçirildiğinde ortaya çıkan renkleri tanımlamak için "spektrum" kelimesini kullanmıştır.

Fraknoi ve Morrison, "1802'de William Hyde Wollaston, Güneş'in spektrumunu bir ekrana odaklamak için bir mercek içeren gelişmiş bir spektrometre yaptı. Kullanım sonrasında Wollaston, renklerin eşit bir şekilde yayılmadığını, bunun yerine spektrumda koyu bantlar olarak görünen eksik renk lekeleri olduğunu fark etti." 1800'lerin başında Joseph von Fraunhofer, spektroskopinin daha kesin ve nicel bir bilimsel teknik haline gelmesini sağlayan dağıtıcı spektrometrelerle deneysel ilerlemeler kaydetti. O zamandan beri spektroskopi kimya, fizik ve astronomide önemli bir rol oynadı ve oynamaya devam ediyor. Fraknoi ve Morrison'a göre, "Daha sonra, 1815'te Alman fizikçi Joseph Fraunhofer da güneş spektrumunu incelemiş ve günümüzde Fraunhofer çizgileri veya Soğurma çizgileri olarak bilinen bu tür yaklaşık 600 karanlık çizgi (eksik renkler) bulmuştur."

Kuantum mekaniği sistemlerinde, benzer rezonans, bir sistemin, örneğin bir atomun, foton gibi salınımlı bir enerji kaynağı aracılığıyla iki kuantum mekaniksel durağan durumunun birbirine bağlanmasıdır. İki durumun birbirine bağlanması, kaynağın enerjisi iki durum arasındaki enerji farkıyla eşleştiğinde en güçlü halini alır. Bir fotonun E enerjisi, h'nin Planck sabiti olduğu E = hν ile frekansı ν ile ilişkilidir ve bu nedenle foton frekansına karşı sistem tepkisinin bir spektrumu rezonans frekansında veya enerjisinde tepe yapacaktır. Elektronlar ve nötronlar gibi parçacıklar, kinetik enerjileri ile dalga boyları ve frekansları arasında benzer bir ilişkiye, de Broglie ilişkilerine sahiptir ve bu nedenle rezonans etkileşimlerini de uyarabilirler.

Atom ve moleküllerin spektrumları genellikle, her biri iki farklı kuantum durumu arasındaki bir rezonansı temsil eden bir dizi spektral çizgiden oluşur. Bu serilerin ve bunlarla ilişkili spektral modellerin açıklanması, kuantum mekaniğinin gelişimini ve kabulünü sağlayan deneysel muammalardan biriydi. Özellikle hidrojen spektral serisi ilk olarak hidrojen atomunun Rutherford-Bohr kuantum modeli ile başarılı bir şekilde açıklanmıştır. Bazı durumlarda spektral çizgiler iyi ayrılır ve ayırt edilebilir, ancak enerji durumlarının yoğunluğu yeterince yüksekse spektral çizgiler üst üste gelebilir ve tek bir geçiş gibi görünebilir. İsimlendirilen çizgi serileri arasında ana, keskin, dağınık ve temel seriler bulunur.