İçeriğe atla

Titreşimsel spektroskopi ve izotop etkisi

Spektrumun kızılötesi bölgesi, ışının 12800 ile 10 cm-1 dalga sayılı kısmını kapsar. Hem cihaz hem de uygulama açısından infrared spektrumu; yakın, orta ve uzak infrared ışınları olmak üzere üç bölgeye ayrılır. Titreşimsel spektroskopi spektrumun infrared bölgesinde oluşan moleküler titreşime bağlı olarak ışığın absorplanması ya da saçılmasını inceler. Bu incelemelerin en önemli uygulama alanları endüstriyel, zirai maddeler ve proses kontrolündeki kantitatif ve kalitatif analizlerdir. Işığın frekansı ; elektronların, rezonans frekansı civarında salınımlarına sebep olacak bir frekans değerinde olduğu vakit, genlik öylesine büyüktür ki, ortamın atomları birbirleriyle çarpışırlar ve ışık enerjisinin çoğu iç enerji halini alır ve böylece ortam tarafından emilir. Farklı maddelerin elektronları farklı rezonans frekanslarındadır. Bu ise saydam bir cisimden ya da ortamdan geçen görünür ışığı neden görebildiğinizi ve güneş yanıklarına sebep olan ultraviyole frekansların saydam bir cisimden neden geçemediklerini açıklar. bunun sonucunda, kapalı bir havada camdan bakarken güneş yanığınız olmadığı halde, açık havaya çıktığınızda güneş yanığı riskiyle karşı karşıya kalabilirsiniz.

Işığın absorpsiyonu

Işık katı, sıvı veya gaz tabakasına geçtiğinde, bazı dalga boyları absorpsiyon ile seçici olarak ortamdan alınır. Bu süreçte ışık enerjisi numuneyi oluşturan atom, iyon veya moleküllere aktarılır. Absorpsiyon bu parçacıkları temel halden bir veya daha çok sayıdaki yüksek enerjili uyarılmış hallere çıkarır.

Şekil 2. Işığın elektromanyetik spektrumu

Moleküller ne zaman Infrared ışığı absorplar?

Moleküler maddeler için infrared absorpsiyon spektrumlarının, moleküllerin bir titreşim veya dönme enerji seviyesindeki çeşitli değişimlerden kaynaklandığı varsayılarak açıklanabilir. Infrared ışınını absorplayabilmesi için bir molekülün titreşim veya dönme hareketi sonucunda, molekülün dipol momentinde net bir değişme meydana gelmelidir. Sadece bu şartlar altında, ışının değişen elektrik alanı ile molekül etkileşebilir ve moleküldeki hareketlerin birinin genliğinde bir değişmeye neden olur.

Beer-Lambert Kanunu

Monokromatik ışın için absorbans, ışık yolu b ve absorplayan türün değişimi c ile doğru orantılıdır. Bu bağıntı aşağıda verilmektedir. (en:Beer-Lambert Law)

A=abc a=absorptivite b= hücre uzunluğu c= konsantrasyon

Şekil 3. Beer-Lambert Kanunu

IR Aktif Moleküller

Bir molekülün infrared aktif olabilmesi için titreşimi sırasında net dipol momente sahip olması gerekir. Örneğin hidrojen klorür gibi bir moleülün etrafındaki yük dağılımı, klorun hidrojenden daha çok elektron yoğunluğuna sahip olması nedeniyle, simetrik değildir. Bu nedenle hidrojen klorürün belli bir dipol momenti vardır ve bu moleküle polar molekül denir. Hidrojen klorür titreşirken, dipol momentinde bir değişme olur ve ışının elektrik alanı ile etkileşebilecek bir alan meydana gelir. Işının frekansı molekülün doğal titreşim frekansına uyarsa, moleküler titreşim genliğinde bir değişme meydana getiren net bir enerji alışverişi gerçekleşir; bu da ışının absorpsiyonu demektir.

Raman Spektroskopisi

Raman Saçılımı

Raman saçılımı (en:Raman Scattering) Hint fizikçi C. V. Raman tarafından 1928 yılında bulundu. Raman’a göre;

  1. Işın geçirgen bir ortamdan geçerken, ortamdaki türler gelen ışın demetinin bir kısmını çeşitli yönlere doğru saçarlar. Raman saçılmasının diğer saçılma türlerinden farkı saçılan ışının bir bölümünün kuvantlaşmış frekans değişimlerine uğramasıdır. Bu değişimler, polarisasyon süreci sonunda moleküllerdeki titreşim enerji geçişleriyle meydana gelirler.
  2. Yayınlanan ışın üç tiptir: Stokes saçılımı, Anti-Stokes saçılımı ve Rayleigh saçılımı. Rayleigh saçılımının dalga boyu uyarıcı kaynağın dalga boyuyla tamamen aynı olup bu saçılım diğer iki tipten belirgin bir şekilde daha şiddetlidir.

Şekil 4. Işın saçılımları; Rayleigh, Stokes ve Anti-Stokes

Raman aktif moleküller

Bir titreşimin Raman aktif olabilmesi için, molekülün kutuplaşabilirliğinin titreşimsel hareket sırasında değişim göstermesi gerekir.

İzotop etkisi

İzotop bağlamaları genellikle bazı titreşimsel modların tanımlanmasında kullanılır. Spektrumlardaki tanımlanmamış pikleri çoğu zaman izotop bağlamaları kanıtlar.

Hooke Kanunu

Hooke kanunundan geliştirelen (en:Hooke's Law) kütle ile frekans arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir.

Burada v=frekans, k= kuvvet sabiti ve μ= indirgenmiş kütle olup aşağıdaki formülle hesaplanır.

1/μ=1/m1+1/m²

m1 ve m² ise bağı oluşturan atomların kütleleridir.

Su molekülüne göre bu bağıntıyı ispat edecek olursak;

H2O için; m1 = 1g/mol ve m² =16g/mol hesaplanan indirgenmiş kütle değeri; μ= 0.94g/mol

D20 (ağır su) için; m1 = 2g/mol ve m² =16g/mol μ=1.78g/mol

Bu iki molekülün frekans denklemlerini oranlarsak;

ƲD/ ƲH = √ μ H / √ μ D

Frekansın indirgenmiş kütlenin karekökü ile ters orantılı olduğunu görürüz.

ƲD/ ƲH =0.73

O-H gerilmesinin frekansı 3200 cm−1 olduğunu bildiğimizden O-D gerilmesinin frekansını yukarıdaki denklemden hesaplayabiliriz ki bu değer 2336 cm-1 ye eşittir. (Bknz. Şekil 5)

Bu hesaplamalarda da göründüğü üzere izotop kullanımı ile tanımlamak istediğimiz molekülü spektrumda görülen kayma ile tanımlayabiliriz. (en:isotope shift)

Şekil 5. Su ve ağır suyun infrared spektrumları.

Kaynakça

İlgili Araştırma Makaleleri

Elektromanyetik tayf veya elektromanyetik spektrum (EMS), evrenin herhangi bir yerinde fizik kurallarınca mümkün kılınan tüm elektromanyetik radyasyonu ve farklı ışınım türevlerinin dalga boyları veya frekanslarına göre bu tayftaki rölatif yerlerini ifade eden ölçüt. Herhangi bir cismin elektromanyetik tayfı veya spektrumu, o cisim tarafından çevresine yayılan karakteristik net elektromanyetik radyasyonu tabir eder.

Dalga-parçacık ikililiği teorisi tüm maddelerin yalnızca kütlesi olan bir parçacık değil aynı zamanda da enerji transferi yapan bir dalga olduğunu gösterir. Kuantum mekaniğinin temel konsepti, kuantum düzeyindeki objelerin davranışlarında ‘’parçaçık’’ ve ‘’dalga’’ gibi klasik konseptlerin yetersiz kalmasından dolayı bu teoriyi işaret eder. Standart kuantum yorumları bu paradoksu evrenin temel özelliği olarak açıklarken, alternatif yorumlar bu ikililiği gelişmekte olan, gözlemci üzerinde bulunan çeşitli sınırlamalardan dolayı kaynaklanan ikinci dereceden bir sonuç olarak açıklar. Bu yargı sıkça kullanılan, dalga-parçacık ikililiğinin tamamlayıcılık görüşüne hizmet ettiğini, birinin bu fenomeni bir veya başka bir yoldan görebileceğini ama ikisinin de aynı anda olamayacağını söyleyen Kopenhag yorumu ile açıklamayı hedefler.

<span class="mw-page-title-main">Mazer</span>

Mazer ya da maser, atomların, dışarıdan uyarılması neticesinde dışarıya salınan radyasyon yardımı ile elde edilen, genliği yükseltilmiş elektromanyetik dalga. Mazer, önceleri ilk mazerin mikrodalga frekansında çalışması sebebiyle İngilizce cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiştir. Bugünse işitme frekansından itibaren, görünen ve morötesi frekanslı elektromanyetik bölgelerde dahi aynı prensip tatbik edildiğinden mazer, Molecular amplification by Stimulated Emission of Radiation olarak tarif edilmektedir. Mazer, uyarılmış radyasyon yayılımıyla mikrodalga veya moleküler dalga kuvvetlendirilmesi demektir. Cihaz, hassas olarak tayin edilmiş frekansta mikrodalga osilasyonları (titreşimleri) ve düşük gürültü seviyeli amplifikasyon (kuvvetlendirme) elde etmeyi sağlar. Bu maksatla atomların ve moleküllerin iç enerjisinden faydalanan bir amplifikatör ve osilatör grubu kullanılır. Aletin çalışmasının temel prensibi olan uyarılmış emisyon, uyarılmış haldeki bir atoma, dışarıdan eşit enerjili bir fotonun çarpması sonucu atomun aynı özellikli bir foton yayması şeklinde meydana gelir. Böylece atoma çarpan foton veya dalgalar çarptıkları uyarılmış atomlar tarafından yayılan fotonlarla kuvvetlenir. Bir mazer, gaz veya katı halde aktif bir ortamdan ibarettir. Sistem çeşitli frekanslar halinde elektromanyetik bir radyasyona maruz bırakılır. İçerideki atomların çoğu bu tesirle yüksek enerjili (uyarılmış) hale gelir. Böylece uyarılmış bir frekans meydana gelir. Aktif ortam, rezonans sağlayan bir boşlukla çevrili olduğundan, tek bir çıkış frekansına eşdeğer osilasyon modlu paralel dalgalar meydana gelir. Çok fazla çeşitli, koherent ve tek renk ışık elde etmek amacıyla oluşturulan optik düzenekler mazerdir. Bunların optik frekanslarda çalışanlarına optik mazer veya lazer adı verilir. Birkaç milimetreden daha uzun dalga boyları için rezonatör olarak metal bir kutu kullanılır.Bu kutunun boyutu titreşim modlarından yalnızca biri atomların yaymış oldukları ışınımların frekanslarıyla çalışacak biçimde belirlenir, kutuda yalnızca bir ses frekansında rezonansa uğramış gibi belirli bir mikro dalga frekansında rezonansa gelir.

<span class="mw-page-title-main">Rayleigh saçılması</span>

Rayleigh saçılımı, ışığın veya diğer elektromanyetik radyasyonun, ışığın dalga boyundan daha küçük tanecikler tarafından saçılımını ifade eder. Bu isim, İngiliz fizikçi Lord Rayleigh'ın adına ithafen verilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Enerji seviyesi</span>

Enerji seviyesi, atom çekirdeğinin etrafında katman katman biçiminde bulunan kısımların her biridir. Bu yörüngelerde elektronlar bulunur. Yörüngenin numarası; 1, 2, 3, 4, ... gibi sayı değerlerini alabilir. Yörünge numarasına baş kuantum sayısı da denir ve "n" ile gösterilir. Yörünge numarası ile yörüngenin çekirdeğe uzaklığı doğru orantılıdır.

<span class="mw-page-title-main">Spektroskopi</span>

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.

<span class="mw-page-title-main">Titreşim</span>

Titreşim bir denge noktası etrafındaki mekanik salınımdır. Bu salınımlar bir sarkaçın hareketi gibi periyodik olabileceği gibi çakıllı bir yolda tekerleğin hareketi gibi rastgele de olabilir.

<span class="mw-page-title-main">Kızılötesi</span> dalga boyu görünür ışıktan uzun, fakat terahertz ışınımından ve mikrodalgalardan daha kısa olan elektromanyetik ışınımdır

Kızılötesi, görünür ışıktan daha uzun ancak mikrodalgalardan daha kısa dalga boylarına sahip elektromanyetik radyasyondur (EMR). Kızılötesi spektral bant, kırmızı ışığınkinden biraz daha uzun dalgalarla başlar, bu nedenle IR insan gözü için görünmezdir. IR'nin genellikle yaklaşık 750 nm (400 THz) ila 1 mm (300 GHz) arasındaki dalga boylarını içerdiği anlaşılmaktadır.

Raman saçılması, lineer optik süreçte, elastik olmayan foton saçılmalarından biridir. Aydınlatma kaynağından gelen fotonların büyük çoğunluğu atom ya da molekülden elastik bir şekilde saçılır. Buna Rayleigh saçılımı denir. Ancak bazıları uyarılmış bir şekilde saçılırlar. Bu tür saçılmada yayımlanan fotonların frekansları elastik saçılmada olduğundan genelde daha düşüktür ve algılanabilmeleri için çok özel dedektörler gerekir.

Absorpsiyon spektroskopisi, radyasyonun dalga boyu ya da frekansın bir fonksiyonu olarak irdelenmesidir. Absorpsiyon teorisine göre örnek madde ortamdan enerji absorbe eder. Emilen enerjinin şiddeti, frekansın ve dalga boyunun bir fonksiyonu olarak ifade edilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">İyonlaştırıcı olmayan radyasyon</span> Düşük frekanslı radyasyon

İyonlaştırıcı olmayan radyasyon, bir atomdan veya molekülden bir elektronu tamamen koparabilmek için atomları veya molekülleri iyonlaştırabilecek yeterli enerji taşıyan kuantumlara sahip olmayan herhangi bir elektromanyetik radyasyon türüdür. Elektromanyetik radyasyon, maddenin içinden geçerken yüklü iyonlar üretmez. Yalnızca, bir elektronu daha yüksek enerji seviyesine çıkaran uyarım için yeterli enerjiye sahiptir. İyonlaştırıcı olmayan radyasyondan daha yüksek bir frekansa ve daha kısa dalga boyuna sahip olan iyonlaştırıcı radyasyon birçok kullanım alanına sahiptir, ancak sağlık için bir tehdit olabilir. İyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmak yanıklara, radyasyon hastalıklarına, kansere ve genetik hastalıklara sebep olabilir. İyonlaştırıcı radyasyon kullanmak, iyonlaştırıcı olmayan radyasyon kullanılırken genelde gerekli olmayan dikkatli ve özenle alınmış radyolojik korunma önlemleri gerektirir.

<span class="mw-page-title-main">Kara cisim ışınımı</span> opak ve fiziksel yansıma gerçekleştirmeyen siyah cisimden yayılan ve sabit tutulan tekdüze ısı

Siyah cisim ışıması içinde elektromanyetik ışıma ya da çevresinde termodinamik dengeyi sağlayan ya da siyah cisim tarafından yayılan ve sabit tutulan tekdüze ısıdır. Işıma çok özel bir spektruma ve sadece cismin sıcaklığına bağlı olan bir yoğunluğa sahiptir. Termal ışıma, birçok sıradan obje tarafından kendiliğinden yayılan bir siyah cisim ışıması sayılabilecek türden bir ışımadır. Tamamen yalıtılmış bir termal denge ortamı siyah cisim ışımasını kapsar ve bir boşluk boyunca kendi duvarını yaratarak yayılır, boşluğun etkisi göz ardı edilebilecek kadar küçüktür. Siyah cisim oda sıcaklığında siyah görünür, yaydığı enerjinin çoğu kızılötesidir ve insan gözü ile fark edilemez. Daha yüksek sıcaklıklarda, siyah cisimlerin özkütleleri artarken renkleri de soluk kırmızıdan kör edecek şekilde parlaklığı olan mavi-beyaza dönüşür. Gezegenler ve yıldızlar kendi sistemleri ve siyah cisimler ile termal dengede olmamalarına rağmen, yaydıkları enerji siyah cisim ışımasına en yakın olaydır. Kara delikler siyah cisim olarak sayılabilirler ve kütlelerine bağlı bir sıcaklıkta siyah cisim ışıması yaptıklarına inanılır . Siyah Cisim terimi, ilk olarak Gustav Kirchhoff tarafından 1860 yılında kullanılmıştır.

Bu Lazer konularının bir listesidir.

Yavaş ışık, çok düşük grup hızlarında oluşan optiksel titreşimin ya da optiksel taşıyıcının geçişinin yayılımı. Yayılma meydana gelirken yayılım titreşimi boşlukla etkileşimde bulunduğundan büyük ölçüde yavaşlar ve yavaş ışık bu sayede oluşmuş olur.

Kimyasal elementlerin ya da kimyasal bileşiklerin emisyon spektrumu atom ya da moleküllerin yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçişinden elde edilen elektromanyetik radyasyonun frekans spektrumudur. Yayılmış fotonun enerjisi iki enerji düzeyi arasındaki farka eşittir. Her atom için birçok mümkün geçişler vardır ve enerji düzeyleri arasındaki her geçiş spesifik enerji farkına sahiptir. Bu farklı geçişlerin toplamı, farklı ışınlar halinde gönderilmiş dalga boylarına ve emisyon spektrumunun düzenlenmesine neden olur. Her elementin emisyon spektrumu özeldir. Dahası, spektroskopi elementlerin madde içindeki bilinmeyen kompozisyonunu tespit etmek için kullanılabilir. Buna benzer olarak, moleküllerin emisyon spektrumları maddelerin kimyasal analizlerinde kullanılabilir.

Terahertz metamalzemeleri birleşimin yeni bir sınıflandırılma biçimidir. Suni malzemeler hala terahertz (THz) frekanslarıyla etkileşimde olan gelişim süreci altındadır. Terahertz frekansları malzeme araştırmalarında sık sık 0.1'den 10 terahertz frekansına kadar kullanılmaktadırlar.

<span class="mw-page-title-main">Grigori Landsberg</span> Sovyet fizikçi

Grigori Samuiloviç Landsberg, Sovyet fizikçi. Grigori S. Landsberg şu an raman saçılmasında kullanılan esnek olmayan tümleşik foton saçılımının eş-kâşifidir. Asıl bilimsel katkıları optik ve spektroskopi alanlarındaydı.

Leonid Isaakovich Mandelstam or Mandelshtam Belarus-Yahudi kökenli Sovyet bir fizikçidir. 

Brillouin saçılması Leon Brillouin'den sonra isimlendirilmiştir. Işığın saydam bir cisimden geçmesiyle birlikte ve maddeyle etkileşime girmesiyle birlikte periyodik uzaysal ve zamansal farklılıkları maddenin yansıtıcı indeksinde oluşturmaktadır. Optikte de belirtildiği gibi, yansımanın indeksi saydam malzemede deformasyonla oluşmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Optik saydamlık ve yarı saydamlık</span>

Fiziğin optik alanında, geçirgenlik ışığın bir materyal üzerinden dağılmadan geçebilmesine olanak sağlayan fiziksel bir özelliktir. Makroskopik (büyük) ölçeklerde, fotonların Snell kanununa göre hareket ettikleri söylenebilir. Yarı saydamlık, geçirgenliğin içinde bulunan bir üst kümedir ve ışığın geçmesine izin verir ancak Snell kanununu takip etmek zorunda değildir. Fotonlar, kırınım işaretleri içinde herhangi bir değişim meydana geldiğinde her iki arayüzde de dağınım gösterebilirler. Diğer bir deyişle, yarı saydam bir ortam ışığın ulaşım yapmasına olanak sağlarken saydam olan bir ortam sadece ışığın geçişini onaylamakla kalmaz aynı zamanda görüntü oluşumuna da izin verir. Yarı saydamlığın karşıtı olan kavram opaklıktır. Saydam yani geçirgen olan maddeler oldukça net görülen, tamamının tek bir renge sahip olduğu ya da her rengi içeren bir spekturumu meydana getiren herhangi bir kombinasyona sahip olabilir.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.