Spektroskopi / spɛktrɒskəpi / madde ile elektromanyetik radyasyon arasındaki etkileşimin çalışmasıdır. Tarihsel olarak, spektroskopi, dalgabağısına göre dağılmış görülebilir ışığın bir prizma yoluyla ortaya çıkarılmıştır. Daha sonra, konsept, dalga boyunun veya frekansının bir fonksiyonu olarak, radyasyon enerjisi ile olan herhangi bir etkileşimi içerecek şekilde genişledi. Spektroskopik veriler çoğunlukla bir emisyon spektrumu ile temsil edilir, ilgi yanıtının dalga boyunun veya frekansın bir fonksiyonu olarak çizimi.
Spektroskopi ve spektrografi, dalga boyunun bir fonksiyonu olarak radyasyon yoğunluğunun ölçümü için kullanılan terimlerdir ve genellikle deneysel spektroskopik yöntemleri tanımlamak için kullanılır. Spektral ölçüm cihazlarına spektrometre, spektrofotometre, spektrograf veya spektral analizörler denir.
Günlük renk gözlemleri, spektroskopiyle ilgili olabilir. Neon aydınlatma, atomik spektroskopinin doğrudan uygulamasıdır. Neon ve diğer soygazların karakteristik emisyon frekansları (renkleri) vardır. Neon lambaları, bu emisyonları heyecanlandırmak için elektronların gazla çarpışmasını kullanıyor. Mürekkepler, boyalar ve boyalar spesifik renkler ve tonlar üretmek için spektral özellikleri için seçilen kimyasal bileşikleri içerir. Sık karşılaşılan bir moleküler spektrum azot dioksittir. Gaz halindeki azot dioksit karakteristik bir kırmızı absorpsiyon özelliğine sahiptir ve bu, nitrojen dioksit ile kirlenmiş hava kırmızımsı-kahverengi bir renk verir. Rayleigh saçılması, gökyüzünün rengini açıklayan bir spektroskopik saçılma fenomendir.
Spektroskopik çalışmalar kuantum mekaniğinin gelişmesinde merkezi idi ve Max Planck’ın kara cisim ışınımı açıklaması, Albert Einstein’ın fotoelektrik etkisi açıklaması ve Niels Bohr’un atomik yapı ve spektrumları hakkındaki açıklamasını içermektedir. Spektroskopi fiziksel ve analitik kimyada kullanılır, çünkü atomlar ve moleküller benzersiz spektrumlara sahiptir. Sonuç olarak, bu spektrumlar, atomlar ve moleküller hakkında bilgi tespit etmek, tanımlamak ve miktarlandırmak için kullanılabilir. Spektroskopi, dünyadaki astronomide ve uzaktan algılamada da kullanılır. Çoğu araştırmacı teleskopunun spektrografları vardır. Ölçülen spektrumlar, astronomik nesnelerin kimyasal bileşimini ve fiziksel özelliklerini (sıcaklık ve hız gibi) belirlemek için kullanılır.
Teori
Spektroskopide temel kavramlardan biri, bir rezonans ve bunun karşılık gelen rezonans frekansıdır. Rezonanslar ilk önce sarkmalar gibi mekanik sistemlerde karakterize edildi. Titreşen veya salınan mekanik sistemler, rezonant frekanslarında çalıştırıldığında büyük amplitüd salınımlarına maruz kalacaklardır. Genlik ve uyarma frekansının bir grafiğinde, rezonans frekansında ortalanmış bir tepe noktası bulunur. Bu grafik, zirve sıklıkla bir spektral çizgi olarak anılan spektrumun bir türüdür ve çoğu spektral çizgiler benzer bir görünüme sahiptir.
Atomların ve moleküllerin spektrumu, her biri iki farklı kuantum durumu arasındaki bir rezonansı temsil eden bir dizi spektral çizgiden oluşur. Bu serinin açıklaması ve onlarla ilişkili spektral kalıplar, kuantum mekaniğinin gelişimine ve kabulüne yol açan deneysel bulmacalardan biriydi. Özellikle hidrojen spektrum serisi hidrojen atomunun Rutherford-Bohr kuantum modeliyle başarıyla açıklanmıştır. Bazı durumlarda spektral çizgiler iyi ayırılır ve ayırdedilebilir, ancak spektral çizgiler aynı zamanda örtüşebilir ve enerji durumlarının yoğunluğu yeterince yüksekse tek geçiş olarak görünebilir. Hatların adlandırılmış serisi, temel, keskin, dağınık ve temel serileri içerir.
Metotların sınıflandırılması
Spektroskopi, her biri spesifik spektroskopik tekniklerin çok sayıda uygulamasıyla birlikte, birçok alt disiplinin var olduğu, yeterince geniş bir alandır. Çeşitli uygulamalar ve teknikler çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir.
Işınım enerjisi türü
Spektroskopi tipleri, etkileşimde yer alan radyasyon enerjisinin türüne göre ayrılır. Birçok uygulamada spektrum, bu enerjinin yoğunluğundaki veya frekansındaki değişimleri ölçerek belirlenir.
İncelenen radyasyon enerjisi türleri arasında şunlar bulunur:
Elektromanyetik radyasyon, spektroskopik çalışmalar için kullanılan ilk enerji kaynağıydı. Elektromanyetik radyasyonu kullanan teknikler tipik olarak spektrumun dalga boyu bölgesi tarafından sınıflandırılır ve mikrodalga, terahertz, kızılötesi, yakın kızılötesi, görünür ve ultraviyole, x-ışınları ve gama spektroskopisini içerir.
Parçacıklar de Broglie dalga boylarından ötürü aynı zamanda bir radyasyon enerjisi kaynağı olabilir ve hem elektronlar hem de nötronlar yaygın olarak kullanılır. Bir parçacık için, kinetik enerjisi dalga boyunu belirler.
Akustik spektroskopide radyasyonlu basınç dalgaları bulunur.
Katı materyallere akustik dalgalara benzer yayılan enerjiyi vermek için mekanik yöntemler kullanılabilir.
Etkileşimin doğası
Spektroskopi türleri, enerji ile malzeme arasındaki etkileşimin doğası ile de ayırt edilebilir. Bu etkileşimler şunları içerir:
Emilim, radyasyon kaynağından gelen enerji materyal tarafından absorbe edildiğinde oluşur. Emilim çoğunlukla, materyal yoluyla iletilen enerjinin kesirinin ölçülmesi ile belirlenir; Emilim, bulaşan kısmı azaltır.
Emisyon, ışınım enerjisinin materyal tarafından serbest bırakıldığını gösterir. Bir malzemenin kara cisim spektrumu, sıcaklığı tarafından belirlenen spontan bir emisyon spektrumudur; Bu özellik, Atmosferik Emisyon Radyant İnterferometre (AERI) gibi aletlerle kızıl ötesi ölçülebilir.Emisyon, alevler veya kıvılcımlar veya flüoresan durumunda elektromanyetik radyasyon gibi diğer enerji kaynakları tarafından da tetiklenebilir.
Elastik saçılma ve yansıma spektroskopisi, bir maddenin ışınımın yansıma veya saçılma şeklini belirler. Kristalografi, proteinlerin ve katı kristallerdeki atomların düzenlenişini incelemek için x-ışınları ve elektronlar gibi yüksek enerjili radyasyon saçılmasını kullanır.
Empedans spektroskopisi, bir maddenin enerjinin transmitansını engelleme veya yavaşlatma yeteneğini araştırır. Optik uygulamalar için, bu kırılma indeksi ile karakterize edilir.
Esnek olmayan saçılma olayı, radyasyon ile saçılan radyasyonun dalga boyunu değiştiren madde arasında bir enerji alışverişi içerir. Bunlara Raman ve Compton saçılımı dahildir.
Tutarlı veya rezonanslı spektroskopi, ışınım enerjisinin, ışıma alanı tarafından tutarlı bir etkileşim içinde materyalin iki kuantum halini birleştirdiği tekniklerdir. Tutarlılık parçacık çarpışmaları ve enerji transferi gibi diğer etkileşimlerle bozulabilir ve bu nedenle sıklıkla yüksek yoğunluklu radyasyonun sürdürülmesi gerekir. Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi yaygın olarak kullanılan bir rezonans yöntemidir ve infrared ve görünür spektral bölgede ultra hızlı lazer yöntemleri de artık mümkündür.
Malzeme tipi
Spektroskopik çalışmalar, radyasyon enerjisinin belirli spesifik maddelerle etkileşime girmesi için tasarlanmıştır.
Atomlar
Geliştirilen spektroskopinin ilk uygulaması, atomik spektroskopi idi. Atomik absorpsiyon spektroskopisi (AAS) ve atomik emisyon spektroskopisi (AES) görünür ve ultraviyole ışık içerir. Genellikle atomik spektral çizgiler olarak adlandırılan bu absorptiyonlar ve emisyonlar, bir elektron yörüngesinden diğerine yükseldikçe ve düştüklerinde dış kabuk elektronlarının elektronik geçişlerinden kaynaklanmaktadır. Atomlar ayrıca, iç kabuk elektronlarının uyarılan durumlara uyarılmasına atfedilebilir farklı x-ışını spektrumlarına sahiptir.
Moleküller
Atomların moleküller halinde bir araya getirilmesi, benzersiz türdeki enerjik devletlerin oluşmasına ve dolayısıyla bu devletler arasındaki geçişlerin eşsiz spektrumlarına yol açar. Moleküler spektrumlar, elektron spin halleri (elektron paramanyetik rezonans), moleküler rotasyonlar, moleküler titreşim ve elektronik durumlardan dolayı elde edilebilir. Döndürme atom çekirdeğinin ortak hareketidir ve tipik olarak mikrodalga ve milimetre dalga spektral bölgedeki spektrumlara yol açar; Döner spektroskopi ve mikrodalga spektroskopisi de eş anlamlıdır. Titreşimler atom çekirdeğinin göreli hareketleridir ve hem kızıl ötesi hem de Raman spektroskopisi ile incelenir. Elektronik uyarımlar, görünür ve mor ötesi spektroskopi ve floresans spektroskopisi kullanılarak incelenir.
Moleküler spektroskopide yapılan çalışmalar ilk maser’in gelişmesine ve lazerin daha sonraki gelişimine katkıda bulunmasına yol açtı.
Kristaller ve genişletilmiş malzemeler
Atomların veya moleküllerin kristaller veya diğer genişletilmiş formlarla kombinasyonu, ek enerjik devletlerin oluşumuna yol açar. Bu devletler sayısızdır ve bu nedenle devletlerin yoğunluğuna sahiptir. Bu yoğunluk genellikle spektrumları daha zayıf ve daha az belirgin hale getirir, yani daha geniş. Örneğin, kara cisim ışınımı, bir materyal içindeki atomların ve moleküllerin termal hareketlerinden kaynaklanmaktadır. Akustik ve mekanik tepkiler de toplu hareketlerden kaynaklanmaktadır. Ancak saf kristaller farklı spektral geçişlere sahip olabilirler ve kristal düzeni de gözlenen moleküler spektrum üzerinde bir etkiye sahiptir. Kristallerin normal örgü yapısı ayrıca x-ışınları, elektronlar veya nötronları kristalografik çalışmalara olanak tanıyan şekilde saçar.
Esaslar
Nukleuslar ayrıca, geniş ölçüde ayrılmış ve gama ışını spektrumlarına yol açan farklı enerji durumlarına sahiptir. Belirgin nükleer spin halleri, enerjilerini bir manyetik alanla ayırır ve bu, NMR spektroskopisine izin verir.
Spektroskopi Çeşitleri
Spektroskopinin diğer türleri, özel uygulamalar veya uygulamalarla ayırt edilir:
Akustik rezonans spektroskopisi öncelikle sesli ve dalga uyarı bölgelerinde
Auger spektroskopisi malzemelerin yüzeylerini mikro ölçekte incelemek için kullanılan bir yöntemdir. Genellikle elektron mikroskopisi ile bağlantılı olarak kullanılır.
Kavite halkası aşağı spektroskopi
Dairesel Dikizim spektroskopisi
Tutarlı anti-Stokes Raman spektroskopisi (CARS), in vivo spektroskopi ve görüntüleme için yüksek hassasiyet ve güçlü uygulamalara sahip yeni bir tekniktir.
Soğuk buhar atomik floresans spektroskopisi
Korelasyon spektroskopisi, birkaç boyutlu NMR spektroskopisini kapsar.
Derin seviyeli geçici spektroskopi, yarı iletken malzemelerde elektriksel olarak aktif kusurların konsantrasyonunu ve analiz parametrelerini ölçer
İki kutuplu polarizasyon interferometrisi kompleks kırınım indeksinin gerçek ve sanal bileşenlerini ölçer
Elektron fenomenolojik spektroskopi, çok elemanlı ve kompleks moleküler sistemlerin fizikokimyasal özelliklerini ve elektronik yapı özelliklerini ölçer.
EPR spektroskopisi
Kuvvet spektroskopisi
Fourier dönüşümü spektroskopisi, interferometreler kullanılarak elde edilen spektrum verilerini işlemek için verimli bir yöntemdir. Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) kızılötesi spektroskopisinin ortak uygulamasıdır. NMR ayrıca Fourier dönüşümleri kullanır.
Hadron spektroskopisi, spin, parite ve diğer parçacık özelliklerine göre hadronların enerji / kitle spektrumunu inceler. Baryon spektroskopisi ve meson spektroskopisi her ikisi de hadron spektroskopisi tipidir.
Hiperspektral görüntüleme, ortamın veya çeşitli nesnelerin tam bir resmini oluşturmak için bir yöntemdir; her piksel tam görünür, VNIR, NIR veya kızılötesi spektrum içerir.
Inelastic elektron tünel açma spektroskopisi (IETS), optik olarak yasaklanmış geçişleri de ölçebilen belirli enerjilerdeki inelastik elektron-titreşim etkileşiminden dolayı akımdaki değişiklikleri kullanır.
İnelastik nötron saçılımı, Raman spektroskopisine benzer, ancak fotonların yerine nötron kullanır.
Laser ile indüklenen plazma spektrometresi (LIPS) olarak da adlandırılan Lazer Kaynaklı Parçalanma Spektroskopisi (LIBS)
Lazer spektroskopisi, ayarlanabilir lazerleri ve atomik veya molekül türlerin seçici uyarılması için optik parametrik osilatörler gibi tutarlı emisyon kaynaklarının diğer türlerini kullanır.
Kütle spektroskopisi, kütle spektrometresine atıfta bulunan tarihsel bir terimdir. Mevcut tavsiyeler ikinci terimi kullanacaktır. Kütle spektroskopisi teriminin kullanılması, iyonları algılamak için fosforlu ekranların kullanılmasından kaynaklanmıştır.
Mössbauer spektroskopisi, farklı atom ortamlarındaki spesifik izotop çekirdeğinin özelliklerini, gama ışınlarının rezonant emilimini analiz ederek sondalar. Ayrıca bkz. Mössbauer efekti.
Nötron spin echo spektroskopisi, proteinler ve diğer yumuşak madde sistemlerinde iç dinamiği ölçer
Fotoakustik spektroskopi radyasyonun emilmesi üzerine üretilen ses dalgalarını ölçer.
Fotoemisyon spektroskopisi
Fototermal spektroskopi radyasyon emiliminden sonra gelişen ısıyı ölçer.
Pompa probu spektroskopisi, femtosaniye zaman ölçeğinde reaksiyon ara ürünlerini ölçmek için ultra hızlı lazer darbelerini kullanabilir.
Raman optik aktivite spektroskopisi, moleküllerdeki kiral merkezler hakkında ayrıntılı bilgi ortaya çıkarmak için Raman saçılması ve optik aktivite etkilerinden yararlanır.
Raman spektroskopisi
Doymuş spektroskopi
Tarama tünelleme spektroskopisi
Spektrofotometri
Spin gürültü spektroskopisi, elektronik ve nükleer spinlerin spontan dalgalanmalarını izler.
Zaman özünürlü spektroskopi, çeşitli spektroskopik yöntemleri kullanarak uyarılmış durumların bozunma oranını ölçer.
Zaman Uzama Spektroskopisi
Termal kızılötesi spektroskopisi, materyal ve yüzeylerden yayılan termal radyasyonu ölçer ve bir numunede bulunan bağ türlerini ve kafes çevreyi belirlemek için kullanılır. Teknikler organik kimyagerler, mineralojistler ve gezegen bilim adamları tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır.
Geçici ızgaralı spektroskopi, kuaz parçacık yayılımını ölçer. Metalik malzemelerdeki ışınlanmış haldeki değişiklikleri izleyebilir.
Ultraviyole fotoelektron spektroskopisi (UPS)
Ultraviyole görünür spektroskopi
Titreşimli dairesel diklorizm spektroskopisi
Video spektroskopisi
X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS)