Kuantum Parçacığı Yorumlanması

Kuantum bakış açısına göre, molekül genellikle enerji paketleri olarak tanımlanan fotonlar tarafından temsil edilen elektromanyetik ışıma ile etkileşime girer (

E=hν

). Fotonlar hem parçacıktırlar hem de dalgadırlar ve bir dalganın daima kendisine bağlı bir frekansının olması gerekir. Dolayısıyla bir fotonun enerjisi ayrı bir niceliktir, çünkü kendi frekansı tarafından belirlenir. Işık ile madde arasındaki etkileşim iki olgu verir: emilim ve saçılım.

Işık-madde etkileşiminin temel süreci, kuantum teorisi vasıtasıyla tanımlanabilir: bir atomun, bir molekülün veya bir atomik kafesin elektronu, bir fotonu emebilir ve fotonun enerjisini, enerjik olarak daha yüksek bir elektronik duruma atlamak için kullanabilir (emilim). Daha sonra elektron herhangi bir yöne ışık saçarak temel durumuna düşer (saçılım). Işık madde ile buluştuğunda, sistemin elektronik bulutlarını deforme eden atomlara enerji aktarır. Sistem başlangıçta bir titreşim hali içindedir εi ve daha yüksek bir enerji seviyesine getirilir, ancak

bu gerçek bir enerji seviyesine tekabül etmeyen bir "sanal seviye" (

ε

v)‘dir.

Sıçramayı, temel elektronik durumdan uyarılmış bir duruma yukseltmek için tam bir enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır. Gelen ışığı tam gerekli enerjiye sahip değilse enerjisel atlama gerçekleşmez.

Şekil 3.4.2.b'de Jablonski diyagramında gösterildiği gibi, titreşim durumları arasındaki enerji farkı, elektronik durumlar arasındaki enerji farkından birkaç kat daha düşük olduğu için, her bir elektronik durum, titreşim enerji düzeylerinden oluşur[2].

Şekil 3.4.2. (a) Bir dipolden Rayleigh ve Raman saçılımının şematik gösterimi; (b) Jablonski diyagramı.

~ 105 ~

Bu nedenle, uyarılan durumlar, daha yüksek enerji seviyesini korumak için sabit enerji girişi olmaksızın dengesizdir. Böylece sistem, iki seviye arasındaki farka eşit (

hν’

) enerji yayarak titreşimsel enerji durumuna (

ε

_f) döner ve hafifler. Özellikle, sistem başlangıç titreşim durumuna geri dönerse, (

ε

_f

=

ε

i), saçılan ışık gelen ışıkla aynı enerjiye düzeyine sahip olur. (

hv’ = hv

elastik saçılım); ne zaman ki, sistem başka bir titreşim durumuna geri dönerse, (

ε

f

≠ ε

i), saçılan ışık gelen ışıktan farklı enerjiye düzeyine sahip olur (

hv’ =

hv + ΔE

, elastik olmayan saçılım).

Sonuçta, başlangıç ve nihai titreşim durumuna bağlı olarak, ışık-madde etkileşimi üretilebilir:

Elastik saçılma  Rayleigh saçılması 

ε

f

= ε

i 

hv’ = hv

Elastik olmayan saçılma  Raman saçılması 

ε

_{f ≠}

ε

_i 

hv’ = hv + ΔE

Nihai titreşim durumunun başlangıç durumundan daha yüksek veya daha düşük enerjiye sahip olabileceğini dikkate almak gerekir. İlk durumda (

ε

f

> ε

i), sistem

enerji kazanır (ΔE<0 ve böylece v’<v) ve yayılan ışıma "Stoke ışıması" olarak adlandırılır; ikinci durumda ise (

ε

f

< ε

i), sistem enerji kaybeder (ΔE>0 ve

böylece v’>v) ve yayılan ışıma "anti-Stoke ışıması" olarak adlandırılır. Stoke ve anti-Stoke çizgileri simetriktir, ancak en düşük titreşim seviyelerinin sıklığı daha fazla olduğundan oda sıcaklığında Stokes hatları daha yoğundur; Boltzmann dağılımına göre:

∝

(5)

Burada

ν

gelen ışıma frekansıdır, T Kelvin[1]_{ile ifade edilen sıcaklıktır. Raman}

etkisinin kuantum yorumunun daha da incelenmesi durumunda, saçılan ışığın gücünün,

P

_s, gelen fotonlarının yoğunluğunun,

I

_o, Raman kesiti olarak bilinen bir değer olan,

σ

R, ile çarpımına eşit olduğu görülür.

=

·

(6)

~ 106 ~

Raman spektrometrenin ışık kaynağı genel olarak belirli bir dalga boyuna sahip bir lazerdir. Lazerin dalga boyu uygulamaya bağlı olarak, ultravioleden görünebililene ve kızılötesine yakın seviyeye kadar değişebilir. Yayılan ışık bir monokromatöreye yönlendirilir ve bir CCD veya ışıl-çoğaltıcı dedektör olarak kullanılır. Raman enstrümantasyonu optik mikroskop ile birleştirilebilir ve bu yolla lazer spotu numunenin çok küçük bir alanına odaklanır (<1µm çapında). Böylece sinyal fiber optikle toplanır ve monokromatöre yönlendirilir. Sinyal alımında en iyi koşul geri saçılımda bulunur, yani yayılan ışıma gelen ışığın olduğu yönle aynı yönde daha çok toplanır.

3.4.4 Uygulamalar

Raman spektroskopisi ilk önce elektronik malzemelerin karakterizasyona uygulanmıştır. Gerçekten, yarı iletkenler üzerindeki Raman analizi, kristalografik yönelimleri, kirleticilerin konsantrasyonunu, doping veya iyon bombardımanı ile indüklenen hasarı, heteroepitaksiyel filmlerdeki ve hetero yapılardaki yükleri (veya kafes sabiti) belirlemeye imkan verir.

[3

]. Raman

spektroskopisi, genel olarak, sentez işlemleri ve sentez sonrası işlemler ile substrat filmi yanlış eşleşmeyle üretilen ara yüzey gerilimi ile indüklenen kusurları incelemek için de güçlü bir araçtır.

Raman spektroskopisi bir araştırma teknolojisi olarak doğmuş olsa da günümüzde endüstri, biyomedikal, kültürel miras, gemoloji ve mineraller gibi çeşitli alanlarda uygulanan bir analiz tekniği haline gelmiştir.

Biyomedikal alanında, Raman spektrumları proteinler, nükleik asitler, lipidler, karbonhidratlar ve inorganik kristallerden gelen spesifik sinyallere dayanarak biyolojik örneklerin genel moleküler yapısını değerlendirmeye imkan verdiği için Raman spektroskopisi güçlü bir teşhis aracı haline gelmiştir. Ölçümler invaziv değildir ve numune işleme gerektirmez, ki bu da Raman spektroskopisini biyotıp alanındaki sayısız uygulamalarla güvenilir ve sağlam bir yöntem haline getirmektedir. Dahası, Raman spektroskopisi, bakterilerin oldukça hassas olan ayırımlarına imkan verir, sürekli metabolik işlemler hakkında bilgi verir ve Raman spektrumu her hücre tipine özgundur, böylece hücrenin yaşayabilirliği, farklılaşma durumu ve tümörün gelişimi hakkında ek bilgi sağlar. Raman spektroskopisi dokularda önemli ekstraselüler matriks bileşenlerini ve bunların sekonder yapılarını saptayabilir [4].

~ 107 ~

Raman spektroskopisi, sanat eserinin numunesi alınmadan ölçüm yapmak mümkün olduğundan, kültürel miras nesnelerinin invaziv olmayan analizi için güvenilir bir araç olarak kurulmuştur. Bu nedenlerden ötürü Raman tekniği değerli taşların tanımlanması için gemoloji alanında da kullanılmaktadır. Raman spektroskopisinin kültürel mirasa uygulanması: pigmentlerin tanımlanması, yeni restorasyon ürünlerinin karakterizasyonu, alt katmanların korunma durmunun incelenmesi, malzeme analizleri (değerli taş, mozaik isi vb.) ile ilgilidir.

Belgede Nanoteknoloji 2: karakterizasyon ve uygulamalar (sayfa 105-108)