S P E K T R O S K O P İ

SPEKTROSKOPİ
RENKSERİM
Dalga boyu
Frekans
SPEKTROSKOPİ
IŞIK
Elektromanyetik Dalga
MADDE
SPEKTROSKOPİ : Tanım
Spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim
((bir miktar madde)) tarafından;; saçılması,
ç
, y
yansıtılması,, soğrulması
ğ
veya salınması ile ilgilenen fen bilimi dalıdır.
Elektromanyetik ışıma:
Radyo
y dalgaları
g
  ((Gamma)) ışınları
ş
Parçacıklar:
Nötronlar, elektronlar, protonlar, pozitronlar, .......
S kt k i (L
Spektroskopi:
(Latince)
ti
) ruhtaki
ht ki resim,
i ruhun
h resmi.
i
Bu terimi ilk kullanan kişi: Arthur Schuster, 1882
SPEKTROSKOPİ : Tanım
SPEKTROSKOPİ : Tanım
SPEKTROSKOPİ : Tanım
S kt k i sürekli
Spektroskopi
ü kli gelişmekte
li
kt olan
l bir
bi daldır.
d ld Hem
H
var olan
l ttekniklerin
k ikl i
iyileştirilmesi ve geliştirilmesi, hem de yeni yöntemlerin önerilmesi bu alanı
şimdiye dek hep canlı tutmuştur.
Günümüzde spektroskopi kavramı içine pek çok teknik girmesine rağmen
başlangıçta sadece optik spektroskopi olarak gelişmiştir.
SPEKTROSKOPİ : Tarihçe
 Spektroskopinin başlangıcı,
17. yy. da Newton’un güneş
ışığının çeşitli renklerden
oluştuğunu gösteren meşhur
prizma deneyidir.
 19. yüzyılın başında
görünmeyen elektromanyetik
ışımanın (IR ve UV) varlığının
lğ
anlaşılması ile Newton
p
g
genişlemiştir.
ş
ş
spektrumu
Newton 1666
Herschel: Infrared 1800
Ritt
Ritter:
UV 1801
Fraunhofer 1814
Bunsen ve Kırchhoff 1859
R l i h 1871
Rayleigh
Hallwachs 1887 ve Einstein 1905
Rydberg 1890
Röntgen 1895
J. J. Thomson 1897
Aston 1912
J. Franck ve G. Hertz 1914
Raman ve Smekal 1928
Townes ve Basov 1954
Maiman 1960
Turner, Terenin ve Siegbahn 1962
Herzberg 1971
Bloembergen ve Shawlow 1981
SPEKTROSKOPİ : Tarihçe
SPEKTROSKOPİ : Gelişim
Gözlemlenen spektral çizgilerin, incelenen maddelerin karakteristiği olduğu
görülmüş, ancak uzun süre bunların pek çoğunun ne ifade ettiği
anlaşılamamıştır.
B h atom
Bohr
t
tteorisi
i i ilile 1885 yılında
l d B
Balmer
l
ttarafından
f d gözlemlenen
ö l l
hid
hidrojen
j
atomu spektrumları anlam kazanmıştır. Bu gelişme, kuantum mekaniğinin
ve spektroskopinin gelişimini ivmelendirmiştir.
Bu sayede atomların,moleküllerin ve sonrasında da katıların spektrumları
alınmış ve açıklanabilmiştir.
Günümüzde spektroskopi, farklı teknik , farklı madde durumu ve kullanılan
spektral aralık ya da parçacık türüne göre alt dallara ayrılmaktadır
ayrılmaktadır.
SPEKTROSKOPİ : Gelişim
Gü ü ü
Günümüzde
UV ö
özellikle çevre biliminde ve IR de iletişim alanında çok
kullanılan spektral bölgelerdir.
19. Yüzyılın ilk yarısında geliştirilen spektrometreler ile pek çok gaz maddenin
spektral çizgileri gözlemlenmiş ve sınıflandırılmıştır. Daha sonra geliştirilen
kırınım ağlı spektrometreler aracılığı ile spektroskopide çok büyük ilerlemeler
sağlanmıştır.
IŞIK


Işık;  frekansı ile periyodik olarak değişen, elektrik alanı E ve manyetik alanı B vektörleri
ile karakterize edilen elektromanyetik dalgadır.
 Newton’un tanecik modelinden sonra 17. ve 18. yy’larda yapılan deneyler sonucu ışığın
dalga yayınımı olduğu açıklığa kavuşmuştur.
 Daha sonra 19. yy’da Maxwell tarafından ışığın elektromanyetik dalga olduğu teyit
edilmiştir.
 1885’ de EM teori tanımlanmış, 1887’de Hertz tarafından dalgaların üretilebileceği
gösterilmiştir.  Radyo Dalgaları
 Maxwell teorisine göre ivmelenen yükler enerji yayarlar. Işığın yayılması da bir yükün
yüksek frekans ile titreşimi sonucu olur.
 Absorpsiyon ve saçılma da EM dalganın bu tür osilatörleri zorlaması sonucu ortaya çıkar.
DALGA ÖZELLİĞİ
Huygens ışığın bir doğru şeklinde yayıldığı sırada,
Huygens,
sırada dalga cephesi şeklindeki bütünlük
oluşturmuş foton çizgisinin herbirinin bir kaynak gibi davranan noktalardan oluştuğunu
söylemiştir.
Her noktadan çıkan küresel dalgalar bir
ilerdeki dalga cephesini oluşturur.
Kaynak:
http://yubam.kocaeli.edu.tr/egitim/deprem_dosyalar/image058.gif
YOUNG ÇİFT YARIK DENEYİ
Young
ou g ççift ya
yarık de
deneyinde
ey de iki noktada
o ada (b
(birbirine
b e be
belirli b
bir u
uzaklıkta
a
a ve
e e
ekrana
a a eş
eşit
uzaklıkta bulunan noktalar) çıkan eş iki ışının klasik teoride olduğu gibi karanlık, yarı
karanlık ve aydınlık bileşenlerinden değil, iki noktaya eş mesafedeki noktada maksimum
olmak üzere aydınlık ve karanlık saçaklar şeklinde olduğunu göstermiştir.
Young çift yarık deneyi (girişim deneyi)
Kaynak: http://tr.wikipedia.org/wiki/%C3%87ift_yar%C4%B1k_deneyi
TANECİK ÖZELLİĞİ
Işığın tanecikli yapıda olduğuna işaret eden deneysel sonuçlar da vardır:
 Fotoelektrik olay
 Compton olayı
Işın
Tanecik
(Newton)
Dalga
Dalga Paketçiği
(Huygens / Young)
(Einstein / De Broglie)
K
Kaynak:
k http://www.tr3d.com/max/render/isik1/Res_05.gif
htt //
t 3d
/
/ d /i ik1/R
05 if
Kaynak: http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/quantumwave/wvpkt2.gif
FOTOELEKTRİK OLAY
Bi metal
Bir
t l plakaya
l k
ışıkk tutularak
t t l k elektron
l kt
k
koparılması
l
ve bu
b elektronların
l kt l
k
karşıdaki
d ki başka
b k
bir metal plakaya ulaştırılması koşulu ile devreden akım geçmesi olayıdır.
Kaynak: www.lisefizik.com
COMPTON OLAYI
Bir foton durgun
d rg n haldeki bir elektronla çarp
çarpıştığında
şt ğ nda elektron bir P moment
momentumu
m ka
kazanır
an r
ve hareket eder. Gelen foton ise geliş doğrultusundan

bir açısı yaparak sapar. Bu
y Compton
p
olayı
y ((Compton
p
saçılması)
ç
) denir.
olaya
Kaynak: http://fef.kafkas.edu.tr/fizik/tez/CMSWEB/e6_dosyalar/image004.jpg
TANECİK VE DALGA MODELİ
Tanecik Modeli: Descartes ve Newton
Dalga Modeli: Huygens, Young ve Fresnel
Dalga modelini teyit eden: Hertz (1887)
Radyo dalgaları
Fotoelektrik Olay: Hallwachs
Tekrar tanecik modeli:
modeli Planck,
Planck Einstein ve
e Compton
Dalga+Tanecik Modeli: Dirac, Heisenberg, Pauli
Quantum elektrodinamik
MADDE
OPTİK SPEKTROSKOPİ : Temel Düzenek
OPTİK SPEKTROSKOPİ : Soğurma
OPTİK SPEKTROSKOPİ : Temel Gösterim
SPEKTROSKOPİ : Örnek Spektrumlar
SPEKTROSKOPİ : Örnek Spektrumlar
OPTİK SPEKTROSKOPİ :
Hidrojen Atomunun Spektrum Serileri
SPEKTROSKOPİ :
Elektromanyetik Spektrum
SPEKTROSKOPİ : Kutuplanırlık spektrumu
SPEKTROSKOPİ : Molekül hareketleri
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektroskopisi
Kütle spektrometresinde, iyonlaşma bölgesinde elde edilen hareketli iyonlar, elektrikle yüklü
plakalara doğru çekilerek hızlandırılır. Kütle ayırıcısına gönderilir ve kütle ayırıcısında
kütle/yük (m/z) oranlarına göre hızlıca ayrılır. İyonların çoğu tek yüklü olduğundan, oran
basitçe iyonun kütlesine eşittir. Çeşitli tipte kütle spektrometreler kullanılmaktadır. Bunlar,
• Kuadrupol kütle spektrometre,
• Uçuş-zamanlı kütle spektrometre
• Çift-odaklamalı kütle spektrometredir.
(http://74.125.77.132/search?q=cache:nNWyBVn63l8J:w3.gazi.edu.tr/~mkaracan/enstrumental/Atomik%2520Kutle%2520Spektroskopi
si.ppt+k%C3%BCtle+spektroskopisi&cd=2&hl=tr&ct=clnk&gl=tr).
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Nükleer Manyetik Rezonans (NMR)
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.
SPEKTROSKOPİ : NMR görüntüleme
SPEKTROSKOPİ : Zeeman olayı
SPEKTROSKOPİ : Optik Spektroskopi
OPTİK SPEKTROSKOPİ
SOĞURMA
Molekül
Soğurulması
Atom
Soğurulması
YANSIMA
Optik
Dikroizm
Döngüsel
Dikroizm
SAÇILMA
Rayleigh
Fraunhofer
Raman
Floresans
Gecikmeli
Isıl
I
Işımalı
l
Kimyasal
Işımalı
Foto
I
Işımalı
l
IŞIMA
Fosforesans
Fotoakustik
Spektroskopisi
Atom Emisyon
Spektroskopisi
Ani
Biyo
I
Işımalı
l
Tribo
I
Işımalı
l
Uyarı
Emisyon
y
Spektroskopisi
Zaman
Ayrışımlı
y ş
Spektroskopi
Polarizasyon
Spektroskopi
Enerji
Aktarımlı
Spektroskopi
ELEKTROMANYETİK DALGALAR
Elektrik ve Manyetizma kanunları Maxwell denklemleri ile özetlenebilirler:
İntegral Biçiminde:
1.
2.

 En  dA 
s

4.
1

Qiç

 B  dA  0
s
3.

n
 
d  
c E dl   dt s Bn  dA
 
d  
c B dl  I   dt s En  dA
Gauss Kanunu
Manyetizma
y
için
ç Gauss Kanunu
Faraday İndüksiyon Kanunu
Ampere Kanunu
ELEKTROMANYETİK DALGALAR
Diferansiyel Biçimde:
1.
 
 E 

Q
E


 
B
2.
 B  0
3.
B
 E  
t


4.




 B   J  

J

E
t
: Elektrik alan
: Manyetik alan
: Akım yoğunluğu


: Dielektrik sabiti


: Manyetik geçirgenlik
FOTON: Tanım
Foton, elektromanyetik dalganın toplam enerjisini oluşturan enerji paketçiklerinden her
biri için kullanılan isimdir.
• Elektromanyetik dalga, ışık hızı ile ilerlediği ve enerji içeriğini de fotonlar halinde
kendisi ile beraber taşıdığı için fotonun hızı da c'dir.
• Sonsuz ömrü vardır, yani artık başka şeylere bozunmaz (dönüşmez).
• Durgun kütlesi sıfır olarak kabul edilir
Kaynak: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/ff/Photon_waves.png
Kaynak:
(http://www.msxlabs.org/forum/fizik/92546foton-nedir-foton-hakkinda-genel-bilgiler.html
FOTON
Durgun kütlesi
m0=0
Momentumu:
D l b
Dalgaboyu:
Hızı:
p
E 2  m 2c 2
c
h hc
 
p E
pc 2
v
c
E
den
E
p
c
ELEKTRON
Elektron en küçük elektrik yüküne (elektriksel yük nicemi) sahip temel parçacıktır
Elektron,
parçacıktır.
Elektron kelimesi Yunanca amberin ismidir.
1894 yılında Stoney (George Johnstone Stoney, Philosophical Magazine 40 (1895), 372)
tarafından önerilmiştir.
Eski Yunan’da, amberin bir kedi derisine sürtülünce statik elektrikle yüklendiği
gözlemlenmiştir.
gözlemlenmiştir
Atomların ve iyonların dış bölümünü (elektron bulutu) oluşturular. Dış bölgesindeki
elektronların sayısı ve konumu, çekirdekdeki proton ve nötron sayısı ile birlikte söz konusu
elementin kimyasal özellikleri belirler.
Atom yapısında bir elektron n, l, m ve s nicem sayılarıyla betimlenir. Elektronların metaller
içerisindeki serbest hareketliliği elektriksel iletkenlik
iletkenlik, metalik iletkenlerdeki iletimin
kaynağıdır.
ELEKTRON
Belirli enerji seviyelerinde (aşağıya doğru
artarak: n
n=1,2,3,...)
1,2,3,...) ve açısal momentum'lardaki
momentum lardaki
(sağa doğru artarak: s, p, d,...) bir hidrojen
atomu elektronunun dalga fonksiyonları. Daha
parlak olan bölgeler elektronun pozisyonu
içindaha yüksek olasılık genliğine işaret ediyor.
Kaynak: Wikipedi online Ansiklopedi
ELEKTRON
Boşlukta serbest elektronlar, ışığın metalleri etkimesi (foto elektrik olay) veya ısıtılan bir metal
tel aracılığı ile yada düşük basınçlı gaz boşalımları ile katot ışınları olarak,
olarak radyoaktif cisimlerin
beta ışınları olarak elde edilirler.
Metal telin ısıtılması yöntemi elde edilen elektronların rahatlıkla odaklandırılması ve
hızlandırılması için daha kolaydır.
Deneysel olarak elektronlar ilk önce 1897 de Thomson (Josef John Thomson) tarafından keşf
edilmiştir.
Bir elektron bir nicem objesidir; Heisenberg Belirsizlik İlkesi anlamında momentumu ve konumu
aynı anda kesin olarak belirlenemez
belirlenemez. Bu anlamda ışık gibi hem dalga hem de tanecik özellikleri
gözlenebilmiştir. Atomlarda elektronlar genellikle duran dalga şeklinde düşünülür.
ELEKTRON
Elektronlar leptonlar ailesindendirler ve bütün leptonlar ½ spin değerine sahiptirler. Bu yarım
spin değerine sahip olmaları nedeniylede Fermiyon sınıfındandırlar. Bundan dolayı da Pauli
prensibine uyarlar.
Elektronların anti parçacıkları pozitronlardır. Pozitronlar yükün pozitif olması dışında
elektronlardan farklı değiller.
Elektronlar su ve alkol gibi polar çözücülerde çözücü içine geçebilirler; bundan dolayı bu tür
elektronlara çözülmüş elektron adı verilir.
verilir Alkali metallerin Amonyak içinde çözülmeleri
sonucu mavimsi rengin ortaya çıkması bundan dolayıdır.
Elektronların bazı özellikleri tabloda verilmiştir:
ELEKTRON
Tablo-1: Elektronun özellikleri

Sembolü
e-
Yükü
−1 e = −1,602 176 53(14) · 10−19 C
Durgun kütlesi
5,485 799 110(12) · 10−4 u (atomik
kütle birimi)
9,109 381 88(72) · 10−31 kg
1 · me
Durgun enerjisi
 8,187 104 14(64) · 10−14 J
 0,510 998 902(21) MeV
ComptonDalgaboyu
2,4263 ·
10−12
m
e 
s   g s
s
2 me
s: elektron spininin manyetik momenti
me: elektronun
l k
durgun
d
kütlesi
kü l i
e: elektronun yükü
s : spini
p
Manyetik momenti
−928,476 362(37) · 10−26 J T−1
g : Landé çarpanı (nicem kuramında
g- faktörü
2,002 319 304 3718(75)
(Dirac) tam olarak 2 değerinde, nicem
Spini
1/2
Ortalama yaşam
süresi
Katıldığı
etkileşimler
deneysel: >
elektrodinamiğinde ise 2 değerinden sapma
1024
yıl (kararlı)
zayıf etkileşim
elektromanyetik etkileşim
kütle çekimi
gösterebilmektedir.
s’in
’i önündeki
ö ü d ki katsayı,
k t
giromanyetik
i
tik oran
olarak adlandırılır.
ELEKTRON
Durgun elektronun kütlesi sabittir. Hareket halindeki elektronların kütlesinin ise görelilik kuramına göre artması söz konusudur.
Çünkü elektronlar küçük olduklarından ve yüke de sahip olduklarından yüksek hızlara ulaşmaları kolaydır.
Hareket halinde bir elektronun kütlesi bir manyetik alan içerisinde saptırılarak ölçülebilir.
Elektron kütlesinin hızı arttıkça arttığı ilk olarak 1901 de Walter Kaufmann tarafından gözlenmiştir. (Görelilik kuramı 1905 te
açıklanmıştır!)
Katılarda elektronlar kristal örgü ile etkileşirler. Bu etkileşim sonucu kristal içinde elektronun hareket yönüne bağlı olarak da
kütlesinde farklılık ortaya çıkar. Buna etkin kütle denir.
Kuantum elektrodinamik kuramında elektron, iç yapısı olmayan nokta şeklinde bir tanecik olarak ele alınır. Parçacık
hızlandırıcılarda yapılan elektron elektron saçılması deneyleri sonucu elektronun maksimum büyüklüğü 10-19 m mertebesindedir.
Röntgen ışınları ile yapılan saçılma deneyleri sonucu ise etkin elektron yarıçapının 3·10-15 m’ye denk geleceği sonucuna
varılmıştır. Benzer sonuç klasik olarak şu kabuller çerçevesinde de elde edilmiştir:
1 Elektronlar küresel yapıdadırlar
1.
yapıdadırlar, bir küresel kondansatör oluştururlar
oluştururlar.
2. Yükü yüzeyine homojen olarak dağılmıştır.
3. Elektriksel yükün potansiyel enerjisi elektronun durgun enerjisine eşdeğerdir : me·c2
Fotonların elektronlarla olan toplam saçılma kesiti düşük enerjili fotonlar için
8
  re2
3
ELEKTRON
Şekil 6.1: Elektronun yükünün ölçülmesi için Millikan’ın yağ damlaları deneyinin çalışma prensibi.
Negatif yüklü yağ damlası elektrik alanında n·e·E kuvvetinin etkisi altında kalmaktadır. Burada n
damla üzerinde bulunan temel yüklerin sayısını vermektedir. Ayrıca yer çekim kuvveti mg de etkilidir.
Şekil 6.2: Millikan’ın deney düzeneği. Phys. Rev. 2, 109 (1913). Püskürtücüden çıkan yağ
damlacıkları Röntgen ışığı aracılığı ile elektriksel olarak yüklendiriliyorlar.
FOTON - ELEKTRON
FOTON

Dalgaboyu:
Dalga
denklemi:
ELEKTRON
h c

p v

2


1
  
  B (r )    B (r )
 

(
r
)
c


h
h

p mv

h2
H (r )  
(    V (r )) (r )  E
2m
Boşluktaki
yayılım
(düzlem
dalga):
 1  0 i k r t
E    E (e
)
2

  c (e
 
i k  r t
e


i k  r  t
)
FOTON - ELEKTRON
FOTON
ELEKTRON
Ortamdaki potansiyel
etkileşim:
Dielektrik sabit
Coulomb etkilşimleri
Yasak bölgede yayılım
(Klasik olarak):
Foton tünellemesi
Elektron tünellemesi
Lokalize
L
k li etme
t
(hapsetme)
Fotonik kristaller
Foton geçişi
Elektronik yarıiletken kristaller
Elektron geçişi
FOTON - ELEKTRON
Serbest ilerleme dispersiyon eğrileri
FOTON - ELEKTRON
FOTON - ELEKTRON
FOTON - ELEKTRON