Spektroskopiya

thumb|right|300px|Üçbucaqlı bir prizma ilə səpələnmiş işıq şüasını göstərən animasiya.

**Spektroskopiya** maddə ilə elektromaqnit şüalanmasının (elektron spektroskopiya, atom spektroskopiyası və s.) qarşılıqlı təsirinin öyrənilməsidir. Tarixən spektroskopiya görünən işığın dalğa uzunluğuna görə bir prizmadan yayılmasının öyrənilməsi nəticəsində yaranmışdır. Daha sonra, şüalanma enerjisi ilə onun dalğa uzunluğu və ya tezliyi, elektromaqnit spektri də daxil olmaqla hər hansı bir qarşılıqlı təsirinin öyrənilməsi ilə bu anlayış daha geniş yayıldı, həmçinin maddə dalğaları və akustik dalğalar da şüalanma enerjisinin forması hesab oluna bilər. Son dövrlərdə, böyük bir çətinliklə, hətta cazibə dalğaları da Lazer İnterferometri Qravitasiya-Dalğa Rəsədxanası (LIGO) və lazer İnterferometri kontekstində bir spektr ilə əlaqələndirildi. Spektroskopik məlumatlar yayılma spektri ilə (dalğa uzunluğu və ya tezliyi ilə) göstərilir.

Spektroskopiya, ilk növbədə elektromaqnit spektrində, fizika, kimya və astronomiya sahələrində əsas tədqiqat vasitəsidir və maddənin tərkibini, fiziki quruluşunu və elektron quruluşunu atom səviyyəsində, molekulyar səviyyədə və makro səviyyədə daha çox araşdırmağa imkan verir. Əhəmiyyətli tətbiqlərdə toxuma analizi və tibbi görüntü sahələrində biotibbi spektroskopiyadan istifadə edilir.

## Giriş

Spektroskopiya və spektroqrafiya, şüalanma intensivliyinin ölçülməsini dalğa uzunluğu ilə ifadə etmək üçün istifadə olunan terminlərdir və çox vaxt eksperimental spektroskopik metodları təsvir etmək üçün istifadə olunur. Spektral ölçmə cihazlarına spektrometr, spektrofotometr, spektroqraf və ya spektral analizator deyilir.

Gündəlik rənglərin müşahidə edilməsi spektroskopiya ilə əlaqəlidir. Neon işıqlandırmalar birbaşa atom spektroskopiyasının tətbiqidir. Neon və digər nəcib qazlar xarakterik yayılma tezliyinə (rənglərə) malikdir. Neon lampalarda bu emissiyaları həyəcanlandırmaq üçün qazla elektronların toqquşmasından istifadə edir. Mürəkkəblər, boyalar və rənglər, spektral xüsusiyyətlərinə görə seçilmiş kimyəvi birləşmələri əhatə edir və xüsusi rənglər yaradır. Tez-tez rast gəlinən molekulyar spektr azot dioksiddir. Azot dioksid xarakterik qırmızı bir udma spektrinə malikdir və azot dioksid ilə çirklənmiş havaya qırmızı-qəhvəyi rəng verir.

Spektroskopik tədqiqatlar kvant mexanikasının inkişafında əsas yer tutdu və Maks Plankın qaranlıqda şüalanmanın izahını, Albert Eynşteynin fotoelektrik effektini izahını və Niels Bohrın atom quruluşu və spektrini izah etməsini əhatə etdi. Spektroskopiya fiziki və analitik kimyada istifadə olunur, çünki atomlar və molekullar unikal spektrlərə malikdir. Nəticədə bu spektrlər atomlar və molekullar haqqında məlumatları müəyyən etmək və kəmiyyət vermək üçün istifadə edilə bilər. Spektroskopiya astronomiyada istifadə olunur. Tədqiqat teleskoplarının əksəriyyətində spektroqraflar var. Ölçülən spektrlər astronomik cisimlərin kimyəvi tərkibi və fiziki xüsusiyyətlərini (məsələn, temperatur və sürət) müəyyənləşdirmək üçün istifadə olunur.

## Nəzəriyyə

Spektroskopiyada əsas anlayışlardan biri rezonans və ona uyğun rezonans tezliyidir. Rezonanslar ilk dəfə mexaniki sistemlərdə tətbiq edilmişdir. Titrəyən və ya salınan mexaniki sistemlər, rezonans tezliyində idarə edildikdə böyük amplitudda salınım edirlər. Amplitud və həyəcanlanma tezliyi sahəsi rezonans tezliyində pik nöqtəyə çevrilir.

Kvant mexaniki sistemlərdə bənzər rezonansların, atom kimi bir sistemin iki kvant mexaniki stasionar vəziyyətin foton kimi salınma enerji mənbəyi ilə birləşməsidir. Mənbənin enerjisi iki hal arasındakı enerji fərqinə uyğun gəldikdə iki halın birləşməsi ən güclüdür. Bir fotonun enerjisi (E) onun tezliyi (ν) ilə əlaqələndirilir E = hν, h burada Plank sabitidir və buna görə sistemin cavab spektri və fotonun tezliyi rezonansın tezliyi və ya enerjisində ən yüksəkdir. Elektronlar və neytronlar kimi hissəciklərdə müqayisə edilə bilən bir əlaqəyə, Broglie əlaqələrinə malikdir, onun kinetik enerjisi ilə dalğa uzunluğu və tezliyi arasındakı əlaqə və bunun nəticəsində rezonans qarşılıqlı təsir göstərir.

Atom və molekulların spektri iki fərqli kvant vəziyyəti arasında bir rezonansı göstərən bir sıra spektral xətlərdən ibarətdir. Bunun izahı və onlarla əlaqəli spektlər, kvant mexanikasının qəbul edilməsi və inkişafını şərtləndirən eksperimental müəmmalardan biri idi. İlk olaraq hidrogenin spektral seriyası hidrogen atomunun Rutherford-Bohr kvant modeli ilə uğurla izah edildi. Bəzi hallarda spektral xətlər daha yaxşı ayrılır və bir-birindən fərqlənir, bəzi hallarda isə spektral xətlər üst-üstə düşə və enerji halının sıxlığı kifayət qədər yüksək olduğu zaman tək keçid kimi görünə bilər. Spektral xətlərin sırasına əsas, kəskin, yayılmış və təməl spektrlər daxildir.

## Metodların təsnifatı

Spektroskopiya, hər biri spesifik spektroskopik texnikanın çoxsaylı tətbiq sahəsinə malik bir çox alt fənlərin mövcud olduğu kifayət qədər geniş bir sahədir. Müxtəlif tətbiq sahələri və üsulları bir neçə yerə təsnif edilə bilər.
250px|thumb|right|Ultra dəqiq ESPRESSO spektroqrafının mərkəzində nəhəng bir yayılma

### Şüalanma enerjisinin növləri

Spektroskopiyanın növləri qarşılıqlı əlaqədə iştirak edən şüalanma enerjisinin növü ilə fərqlənir. Bir çox tətbiqlərdə bu enerjinin intensivliyi və ya tezliyindəki dəyişiklikləri ölçməklə spektrlər müəyyən edilir. Tədqiq olunan şüalanma enerjisinin növlərinə aşağıdakılar daxildir:

* Elektromaqnit şüalanması spektroskopik tədqiqatlar üçün istifadə olunan ilk enerji mənbəyi idi. Elektromaqnit şüalanmasını tətbiq edən üsullar, adətən, spektrin dalğa uzunluğuna görə təsnif edilir və mikrodalğalı, terahertz, infraqırmızı, yaxın-infraqırmızı, ultrabənövşəyi-görünən, rentgen və qamma spektroskopiyasına daxildir.
* Broglie dalğalarına görə hissəciklər də radiasiya enerjisi mənbəyi ola bilər. Həm elektron, həm də neytron spektroskopiyası çox istifadə olunur. Bir hissəcik üçün onun kinetik enerjisi dalğa uzunluğunu müəyyənləşdirir.
* Akustik spektroskopiya radiasiya təzyiq dalğalarını əhatə edir.
* Dinamik mexaniki analiz akustik dalğalara bənzər radiasiya enerjisini bərk materiallara vermək üçün istifadə edilə bilər.

### Qarşılıqlı təsir növləri

Spektroskopiyanın növləri, maddə və enerji arasındakı qarşılıqlı təsirin xassəsinə görə də fərqlənə bilər. Bu qarşılıqlı əlaqələrə aşağıdakılar daxildir:

* Absorbsiya spektroskopiyası: Şüalanma mənbəyindən olan enerji maddə tərəfindən udulduqda absorbsiya baş verir. Absorbsiya, maddə vasitəsilə ötürülən enerji faksiyasını ölçməklə müəyyən edilir və absorbsiya ilə ötürülən hissənin azalması baş verir.
* Emissiya spektroskopiyası: Emissiya radiasiya enerjisinin maddə tərəfindən sərbəst buraxıldığını göstərir. Bir maddənin qara cisim spektri, onun temperaturu ilə təyin olunan emissiya spektridir. Bu xüsusiyyət infraqırmızı işıqda atmosferdə yayılan parlaq interferometr kimi alətlərlə ölçülə bilər. Emissiya, flüoresan maddə olduğu halda alovlar, qığılcımlar, elektrik qövsləri və ya elektromaqnit şüalanma digər enerji mənbələri ilə də induksiya olur.
* Elastik dağılma və əks spektroskopiya gələn radiasiyasının bir maddə tərəfindən necə əks olunduğunu və ya səpələndiyini müəyyənləşdirir. Zülallar və bərk kristallarda atomların tənzimlənməsini araşdırmaq üçün kristalloqrafiyada rentgen şüaları və elektronlar kimi yüksək enerji radiasiyasının səpilməsi tətbiq olunur.
* Empedans spektroskopiyası: Empedans, bir mühitin enerji ötürülməsinə maneə törətmək və ya yavaşlatmaq qabiliyyətidir. Optik tətbiqlər üçün bu sınma indeksi ilə xarakterizə olunur.
* Qeyri-elastik dağılma hadisələri radiasiya ilə dağılmış radiasiyanın dalğa uzunluğunu dəyişdirən maddə arasında enerji mübadiləsini əhatə edir. Bunlara Raman və Kompton dağılması daxildir.
* Koherent və ya rezonans spektroskopiya, radiasiya enerjisinin maddənin iki kvant halının şüalanan sahə tərəfindən koherent qarşılıqlı təsir ilə birləşdirdiyi üsullardır. Bu təsir hissəciklərin toqquşması və enerji ötürülməsi kimi digər qarşılıqlı təsirlərlə pozula bilər və buna görə də tez-tez yüksək intensivliyə malik radiasiya tələb olunur.
* Nüvə maqnetik rezonans (NMR) spektroskopiyası geniş yayılmış rezonans metodudur və ultrasürətli lazer spektroskopiyası infraqırmızı və görünən spektral bölgələrdə də mümkündür.
* Nüvə spektroskopiyası, xüsusi nüvələrin xassələrini maddədəki yerli quruluşu, əsasən qatılaşdırılmış maddələri, maye və ya dondurulmuş mayelərdəki molekulları və biomolekulları araşdırmaq üçün istifadə olunan metoddur.

### Maddənin hissələri

Spektroskopik tədqiqatlar şüalanma enerjisinin müəyyən maddə növləri ilə qarşılıqlı əlaqədə olması üçün hazırlanmışdır.

#### Atom

Atom spektroskopiyası spektroskopiyanın inkişaf etdirilən ilk tətbiqi idi. Atom absorbsiya spektroskopiyası və atom emissiya spektroskopiyası görünən və ultrabənövşəyi şüaları əhatə edir. Bu absorbsiya və emissiya spektral xətləri bir elektron orbitindən digərinə yüksəldikdə və düşdükdə xarici qabıq elektronlarının elektron keçidinə bağlıdır. Atomlar, daxili qabıq elektronlarının həyəcanlanması ilə həyəcanlanmış halda fərqli rentgen spektrlərinə də sahibdirlər.

Fərqli elementlərin atomları bir-birindən fərqli spektrlərə malikdir və buna görə atom spektroskopiyası bir nümunənin elementar tərkibinin müəyyənləşdirilməsinə və miqdarının təyin edilməsinə imkan verir. Spektroskop cihazı kəşf edildikdən sonra Robert Bunsen və Gustav Kirçhof, emissiya spektrlərini müşahidə edərək yeni elementlər kəşf etdilər. Atom absorbsiya xətləri günəş spektrində müşahidə olunur və kəşf edəndən sonra Fraunhofer xətləri adlanır. Hidrogen spektrinin hərtərəfli izahı kvant mexanikasının ilk uğuru idi və hidrogen spektrində müşahidə olunan Lamb sürüşməsini izah etdi, bu da kvant elektrodinamikasının inkişafına səbəb oldu.

Görünən və ultrabənövşəyi keçidlərin öyrənilməsi üçün atom spektroskopiyasının müasir tətbiqlərinə alov emissiya spektroskopiyası, induktiv qoşulmuş plazma atomu emissiya spektroskopiyası, mikrodalğalı elektrik plazma spektroskopiyası və qığılcım və ya qövs emissiya spektroskopiyası daxildir. Rentgen spektrlərinin öyrənilməsi üsullarına rentgen spektroskopiyası və rentgen flüoresan daxildir.

#### Molekul

Atomların molekullara çevrilməsi ilə bənzərsiz enerji hallarının yaranmasına və nəticədə bu hallar arasındakı keçidlərin bənzərsiz spektrlərinə səbəb olur. Molekulyar spektrlər elektron spin halları (elektron paramaqnit rezonans), molekulyar fırlanma, molekulyar vibrasiya və elektron hallarından əldə edilə bilər. Dönüşlər atom nüvələrinin birgə hərəkətləridir və ümumiyyətlə mikrodalğalı və millimetr dalğalı spektral bölgələrdə spektrlərə səbəb olur. Dönmə spektroskopiyası və mikrodalğalı spektroskopiya eynimənalıdır. Titrəmə, atom nüvələrinin nisbi hərəkətləridir və həm infraqırmızı, həm də Raman spektroskopiyası tərəfindən öyrənilir. Elektron həyəcanmaları görünən və ultrabənövşəyi spektroskopiya ilə yanaşı flüoresan spektroskopiya ilə də öyrənilir.

Molekulyar spektroskopiyada aparılan tədqiqatlar lazerin sonrakı inkişafına gətirib çıxardı.

#### Kristallar və digər formalar

Atom və ya molekulların kristallara və ya digər formalara birləşməsi əlavə enerji hallarının yaranmasına səbəb olur. Bu hallar çoxdur və buna görə də yüksək sıxlığa malikdir. Bu yüksək sıxlıq spektrləri daha zəif və daha az fərqləndirir, yəni daha geniş olur. Məsələn, qara cisim radiasiya, bir maddənin tərkibindəki atom və molekulların istilik hərəkətlərindən qaynaqlanır. Akustik və mexaniki reaksiyalar həm də birgə hərəkətlərdən qaynaqlanır. Saf kristallar fərqli spektral keçidlərə sahib ola bilər və kristalların nizamlanması da müşahidə olunan molekulyar spektrlərə təsir göstərir. Kristalların nizamlı qatı quruluşu kristaloqrafik tədqiqatlara imkan verən rentgen şüaları, elektronlar və ya neytronlar yayır.

#### Nüvə

Nüvə geniş şəkildə ayrılan və qamma şüası spektrlərinə səbəb olan fərqli enerji hallarına malikdir. Fərqli nüvə spin hallarının enerjisi maqnit sahəsi ilə ayıra bilər və bu da nüvə maqnit rezonans spektroskopiyasına əsaslanır.

## Digər növləri

Spektroskopiyanın digər növləri xüsusi tətbiq sahələri ilə fərqlənir:

* Akustik rezonans spektroskopiyası əsasən eşidilən və ultrasəs bölgələrdəki səs dalğalarına əsaslanır.
* Auger elektron spektroskopiyası, materialların səthlərini mikro miqyasda öyrənmək üçün istifadə olunan bir üsuldur. Tez-tez elektron mikroskopiya ilə əlaqəli şəkildə istifadə olunur.
* Koherent anti-Stokes Raman spektroskopiyası, in vivo spektroskopiyasında və görüntüləməsində yüksək həssaslığa və güclü tətbiqlərə sahib olan ən son texnologiyadır.
* Soyuq buxar atom flüoresan spektroskopiyası
* Korrelyasiya spektroskopiyası iki ölçülü NMR spektroskopiyasının bir neçə növünü əhatə edir.
* Dərin səviyyəli keçici spektroskopiya konsentrasiyanı ölçür və yarımkeçirici materiallarda elektrikli qüsurların parametrlərini təhlil edir.
* Dielektrik spektroskopiya
* İkiqat polarizasiya interferometri mürəkkəb refraktiv indeksin həqiqi və xəyali komponentlərini ölçür.
* Transmissiya elektron mikroskopiyasında elektron enerji itkisi spektroskopiyası.
* Elektron fenomenoloji spektroskopiyası çoxkomponentli və mürəkkəb molekulyar sistemlərin elektron quruluşunun fiziki-kimyəvi xüsusiyyətlərini və xassələrini ölçür.
* Elektron paramaqnetik rezonans spektroskopiyası
* Qüvvə spektroskopiyası
* Fourier transformasiya spektroskopiyası, interferometrlərdən istifadə edərək əldə edilən spektr məlumatlarının emalı üçün effektiv bir üsuldur. Fourier transformasiya infraqırmızı spektroskopiyası infraqırmızı spektroskopiyanın ümumi tətbiqidir. Həmçinin NMR da Fourier transformasiyasından istifadə edir.
* Hadron spektroskopiyası, hadronların enerjisini/kütləsini spin və digər hissəcik xüsusiyyətlərinə görə öyrənir. Baryon spektroskopiyası və mezon spektroskopiyası hadron spektroskopiyasının növləridir.
* Hiperspektral görüntü, ətraf mühitin və ya müxtəlif obyektlərin tam görünən, görünən yaxın infraqırmızı, yaxın infraqırmızı və ya infraqırmızı spektrin bütöv görüntüsünü yaratmaq üçün bir üsuldur.
* Qeyri-elastik elektron tunel spektroskopiyada optik olaraq qadağan edilmiş keçidləri ölçə bilən xüsusi enerjilərdə qeyri-elastik elektron-vibrasiya qarşılıqlı təsir səbəbindən cərəyan dəyişikliklərindən istifadə olunur.
* Qeyri-elastik neytronların yayılması Raman spektroskopiyasına bənzəyir, lakin burada fotonlar əvəzinə neytronlardan istifadə edilir.
* Lazer qaynaqlı parçalanma spektroskopiyası lazer qaynaqlı plazma spektrometri də adlandırılır.
* Lazer spektroskopiyasında tənzimlənən lazerlər  və digər koherent emissiya mənbələri (optik parametrik osilatörlər) atom və ya molekulyar növlərin selektiv həyəcanlanması üçün istifadə olunur.
* Kütlə spektroskopiyası kütlə spektrometriyanı ifadə etmək üçün istifadə olunan tarixi bir termindir. "Kütlə spektroskopiya" termini, ionları aşkar etmək üçün fosfor ekranlardan istifadə edilməsi zamanı yaranmışdır.
* Mössbauer spektroskopiyası, qamma şüalarının rezonans udulmasını analiz edərək fərqli atom mühitindəki spesifik izotopik nüvələrin xüsusiyyətlərini sınaqdan keçirir.
* Çoxtərəfli optik hesablama, ümumiyyətlə sərt mühitlərdə istifadə olunan, kimyəvi məlumatları bir analoq kimi birbaşa hesablayan optik həssas analiz üsuludur.
* Neytron spin rezonans spektroskopiyası zülallarda və digər yumşaq maddə sistemlərində daxili dinamikanı ölçür.
* Fotoakustik spektroskopiya radiasiyanın udulması nəticəsində yaranan səs dalğalarını ölçür.
* Fotoemissiya spektroskopiyası
* Fototermal spektroskopiya radiasiyanın udulması ilə yaranan istiliyini ölçür.
* Raman optik aktiv spektroskopiyası molekullardakı xiral mərkəzlər haqqında ətraflı məlumatı aşkar etmək üçün Raman yayılması və optik aktiv effektlərdən istifadə edir.
* Raman spektroskopiyası
* Spektrofotometriya
* Zamandan asılı spektroskopiya, müxtəlif spektroskopik metodlardan istifadə edərək həyəcanlanmış halların pozulma sürətini ölçür.
* Termal infraqırmızı spektroskopiya materiallardan və səthlərdən yayılan istilik şüalanmasını ölçür.
* Ultrabənövşəyi fotoelektron spektroskopiyası
* Ultrabənövşəyi-görünən spektroskopiya
* Titrəmə dairəvi dikroism spektroskopiyası
* X-şüa fotoelektron spektroskopiyası

## Tətbiqi

250px|thumb|UVES, Çox Böyük Teleskopda yüksək həllolmaya sahib spektroqrafdır.

* Yaxın infraqırmızı spektroskopiya ilə aşınma müddətinin təxmin edilməsi
* Absorbsiya spektroskopiyası ilə qida nümunələrində fərqli birləşmələrin həm görünən, həm də infraqırmızı spektrdə ölçülməsi
* Qan nümunələrində zəhərli birləşmələrin ölçülməsi
* Rentgen flüoresan tərəfindən dağıdıcı olmayan elementar analizi
* Müxtəlif spektroskoplarla elektron quruluş araşdırması

## Tarixi

Spektroskopiyanın tarixi İsaak Nyutonun optik təcrübələri ilə başladı (1666-1672). Nyuton ağ işıq bir prizmadan keçdikdə ortaya çıxan ağ işıqla birləşən rəngləri təsvir etmək üçün "spektr" sözünü tətbiq etdi. 1800-cü illərin əvvəllərində Jozef von Fraunhofer dağınıq spektrometrlərlə eksperimental irəliləyişlər əldə etdi və bu da spektroskopiyanın daha dəqiq bir texnikaya çevrilməsinə imkan verdi. O vaxtdan bəri, spektroskopiya kimya, fizika və astronomiyada əhəmiyyətli rol oynayır.

* "1672-ci ildə Kral Cəmiyyətinə təqdim etdiyi ilk məqalədə İsaak Nyuton günəş işığının kiçik bir deşikdən və sonra bir prizmadan keçməsinə icazə verdiyi bir təcrübəni təsvir etdi. Nyuton bizə ağ rəngdə görünən günəş işığının əslində göy qurşağının bütün rənglərinin qarışığından meydana gəldiyini isbat etdi."
* "1802-ci ildə Vilyam Vollaston, Günəşin spektrini ekrana yönəldən bir linza daxilində daha da təkmilləşdirilmiş spektrometr qurdu. İstifadədən sonra Vollaston rənglərin bərabər şəkildə yayılmadığını, əksinə qaranlıq xətt kimi görünən əskik rənglərin olduğunu başa düşdü. Daha sonra, 1815-ci ildə, Alman fiziki Jozef Fraunhofer də günəş spektrini araşdırdı və hazırda Fraunhofer xətləri və ya absorbsiya xətləri olaraq bilinən 600-ə yaxın belə qaranlıq xətləri (itkin rəng) tapdı."

## İstinadlar