S P E K T R O S K O P İ

S P E K T R O S K O P İ

R E N K S E R İ M

S P E K T R O S K O P İ

I Ş I K M A D D E

Elektromanyetik Dalga

SPEKTROSKOPİ : Tanım

Spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim (bir miktar madde) tarafından; saçılması, yansıtılması, soğrulması

( ) ; ç , y , ğ

veya salınması ile ilgilenen fen bilimi dalıdır.

Elektromanyetik ışıma:

Radyo dalgaları   (Gamma) ışınları y g  ( ) ş

Parçacıklar:

Nötronlar, elektronlar, protonlar, pozitronlar, ...

S kt k i (L ti ) ht ki i h i

Spektroskopi: (Latince) ruhtaki resim, ruhun resmi.

Bu terimi ilk kullanan kişi: Arthur Schuster, 1882

SPEKTROSKOPİ : Tanım

SPEKTROSKOPİ : Tanım

SPEKTROSKOPİ : Tanım

S kt k i ü kli li kt l bi d ld H l t k ikl i

Spektroskopi sürekli gelişmekte olan bir daldır. Hem var olan tekniklerin iyileştirilmesi ve geliştirilmesi, hem de yeni yöntemlerin önerilmesi bu alanı şimdiye dek hep canlı tutmuştur.

şimdiye dek hep canlı tutmuştur.

Günümüzde spektroskopi kavramı içine pek çok teknik girmesine rağmen

Günümüzde spektroskopi kavramı içine pek çok teknik girmesine rağmen

başlangıçta sadece optik spektroskopi olarak gelişmiştir.

SPEKTROSKOPİ : Tarihçe

Newton 1666

Herschel: Infrared 1800 Ritt UV 1801

 Spektroskopinin başlangıcı,

Ritter: UV 1801 Fraunhofer 1814

Bunsen ve Kırchhoff 1859 R l i h 1871

17. yy. da Newton’un güneş ışığının çeşitli renklerden

oluştuğunu gösteren meşhur

Hallwachs 1887 ve Einstein 1905 Rydberg 1890

oluştuğunu gösteren meşhur prizma deneyidir.

Röntgen 1895

J. J. Thomson 1897 Aston 1912

 19. yüzyılın başında

görünmeyen elektromanyetik

(IR UV) l ğ

Raman ve Smekal 1928 Townes ve Basov 1954

ışımanın (IR ve UV) varlığının anlaşılması ile Newton

spektrumu genişlemiştir.

Maiman 1960

Turner, Terenin ve Siegbahn 1962 Herzberg 1971

p g ş ş

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 t t i i il 1885 l d B l t f d ö l l hid j

Bohr atom teorisi ile 1885 yılında Balmer tarafından gözlemlenen hidrojen atomu spektrumları anlam kazanmıştır. Bu gelişme, kuantum mekaniğinin ve spektroskopinin gelişimini ivmelendirmiştir.

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

spektral aralık ya da parçacık türüne göre alt dallara ayrılmaktadır.

SPEKTROSKOPİ : Gelişim

Gü ü ü ö

Günümüzde UV 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;





E



B

 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.

Huygens ışığın bir doğru şeklinde yayıldığı sırada dalga cephesi şeklindeki bütünlük

DALGA ÖZELLİĞİ

Huygens, ışığın bir doğru şeklinde yayıldığı sırada, dalga cephesi şeklindeki bütünlük oluşturmuş foton çizgisinin herbirinin bir kaynak gibi davranan noktalardan oluştuğunu söylemiştir.

Her noktadan çıkan küresel dalgalar bir Her noktadan çıkan küresel dalgalar bir ilerdeki dalga cephesini oluşturur.

Kaynak:

Kaynak:

http://yubam.kocaeli.edu.tr/egitim/deprem_dosyalar/image058.gif

Young çift yarık deneyinde iki noktada (birbirine belirli bir uzaklıkta ve ekrana eşit

YOUNG ÇİFT YARIK DENEYİ

ou g ç ya de ey de o ada (b b e be b u a a e e a a eş

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

(Huygens / Young)

Dalga Paketçiği (Einstein / De Broglie)

K k htt // t 3d / / d /i ik1/R 05 if Kaynak: http://www.tr3d.com/max/render/isik1/Res_05.gif

Kaynak: http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/quantumwave/wvpkt2.gif

Bi t l l k k t t l k l kt k l b l kt l k d ki b k

FOTOELEKTRİK OLAY

Bir metal plakaya ışık tutularak elektron koparılması ve bu elektronların karşıdaki başka bir metal plakaya ulaştırılması koşulu ile devreden akım geçmesi olayıdır.

Kaynak: www.lisefizik.com

Bir foton d rg n haldeki bir elektronla çarp şt ğ nda elektron bir P moment m ka an r

COMPTON OLAYI

Bir foton durgun haldeki bir elektronla çarpıştığında elektron bir P momentumu kazanır ve hareket eder. Gelen foton ise geliş doğrultusundan bir açısı yaparak sapar. Bu olaya Compton olayı (Compton saçılması) denir.



y p y ( p ç )

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 Planck Einstein e Compton Tekrar tanecik modeli: Planck, Einstein ve Compton

Dalga+Tanecik Modeli: Dirac, Heisenberg, Pauli Quantum elektrodinamik

M A D D E

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 YANSIMA SAÇILMA IŞIMA

Molekül Soğurulması

Atom Soğurulması

Optik Dikroizm

Döngüsel Dikroizm

Rayleigh

Fraunhofer Raman Floresans Fosforesans Fotoakustik Spektroskopisi

Atom Emisyon Spektroskopisi

Gecikmeli Ani

Isıl

I l

Kimyasal

Işımalı Foto

I l

Uyarı Emisyon

Biyo

I l

Tribo

I l

Polarizasyon Spektroskopi Zaman

Ayrışımlı

Enerji Aktarımlı

Işımalı Işımalı Işımalı Işımalı Işımalı Spektroskopisi^y y ş Spektroskopi

Spektroskopi Spektroskopi

ELEKTROMANYETİK DALGALAR

Elektrik ve Manyetizma kanunları Maxwell denklemleri ile özetlenebilirler:

İntegral Biçiminde:

1.  ^E

^{ dA}

^{ 1 Q}

Gauss Kanunu 1.

2.



Q



 ^B

^{ dA}

^{ 0} Manyetizma için Gauss Kanunu 3.



B

dA 0





y ç

Faraday İndüksiyon Kanunu

4.







^

^{ } 

E

^ dA

dt

I d dl

B   Ampere Kanunu



dt 

ELEKTROMANYETİK DALGALAR

Diferansiyel Biçimde:

1. 

E  Q







E : Elektrik alan

2. 

 B

 0 B

: Manyetik alan

3.

t E B



 







 





: Akım yoğunluğu





J

4. t

J E

B 

 







 





  : 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://www.msxlabs.org/forum/fizik/92546- foton-nedir-foton-hakkinda-genel-bilgiler.html

Kaynak: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/ff/Photon_waves.png

FOTON

Durgun kütlesi m

=0

c

c m p E

2 2 2



 c

p  E

Momentumu: den

c c

hc

 h

D l b

E p 

 

Dalgaboyu:

E c

v  pc



Hızı:

E

Elektron en küçük elektrik yüküne (elektriksel yük nicemi) sahip temel parçacıktır

ELEKTRON

Elektron, en küçük elektrik yüküne (elektriksel yük nicemi) sahip temel 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 metalik iletkenlerdeki iletimin

içerisindeki serbest hareketliliği elektriksel iletkenlik, metalik iletkenlerdeki iletimin kaynağıdır.

ELEKTRON

Belirli enerji seviyelerinde (aşağıya doğru

artarak: n=1,2,3,...) ve açısal momentum'lardaki artarak: n 1,2,3,...) ve açısal momentumlardaki (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 radyoaktif cisimlerin tel aracılığı ile yada düşük basınçlı gaz boşalımları ile katot ışınları 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 Bu anlamda ışık gibi hem dalga hem de tanecik özellikleri aynı anda kesin olarak 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 Alkali metallerin Amonyak içinde çözülmeleri

elektronlara çözülmüş elektron adı verilir. Alkali metallerin Amonyak içinde çözülmeleri sonucu mavimsi rengin ortaya çıkması bundan dolayıdır.

Elektronların bazı özellikleri tabloda verilmiştir:

Tablo-1: Elektronun özellikleri

ELEKTRON

Sembolü e^-

Yükü −1e= −1,602 176 53(14) · 10⁻¹⁹C

s

m g e

e s

s





 2

 

Durgunkütlesi

5,485 799 110(12) · 10⁻⁴u(atomik kütle birimi)

9,109 381 88(72) · 10⁻³¹kg

1 · m_e _s: elektron spininin manyetik momenti

l k d kü l i

Durgunenerjisi  8,187 104 14(64) · 10⁻¹⁴J

 0,510 998 902(21)MeV Compton-

Dalgaboyu 2,4263 · 10⁻¹²m

m_e: elektronun durgun kütlesi e: elektronun yükü

s : spini

Manyetikmomenti −928,476 362(37) · 10⁻²⁶J T⁻¹ g- faktörü 2,002 319 304 3718(75)

Spini 1/2

p

g : Landé çarpanı (nicem kuramında (Dirac) tam olarak 2 değerinde, nicem

Spini 1/2

Ortalamayaşam

süresi deneysel: > 10²⁴yıl(kararlı) Katıldığı zayıfetkileşim

elektrodinamiğinde ise 2 değerinden sapma gösterebilmektedir.

’i ö ü d ki k t i tik

Katıldığı

etkileşimler elektromanyetiketkileşim

kütleçekimi

s’in önündeki katsayı, giromanyetik 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^-15m’ye denk geleceği sonucuna varılmıştır. Benzer sonuç klasik olarak şu kabuller çerçevesinde de elde edilmiştir:

1 Elektronlar küresel yapıdadırlar bir küresel kondansatör oluştururlar 1. Elektronlar küresel yapıdadırlar, bir küresel kondansatör oluştururlar.

2. Yükü yüzeyine homojen olarak dağılmıştır.

3. Elektriksel yükün potansiyel enerjisi elektronun durgun enerjisine eşdeğerdir : m_e·c²

Fotonların elektronlarla olan toplam saçılma kesiti düşük enerjili fotonlar için ²

3 8

re



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 ELEKTRONELEKTRON

v c h  p

 

mv h h  p

 

Dalgaboyu:

p p

) ( )

1 ( ²

B B



  







 

 h V r  r E 

r

H ( )  (    ( )) ( ) 



Dalga

) ( )

) (

( B r

r c

r B 



 







 



 V r  r E 

r m

H   (     ( )) ( )  ) 2

(

denklemi:

) 2 (

1

e

E

E

  ^{ }

 

 



    c ( e

 e

)

Boşluktaki yayılım

 2   c ( e  e )

(düzlem dalga):

FOTON - ELEKTRON

FOTON ELEKTRON

Ortamdaki potansiyel

etkileşim: Dielektrik sabit Coulomb etkilşimleri

etkileşim:

Yasak bölgede yayılım Foton tünellemesi Yasak bölgede yayılım

(Klasik olarak): Foton tünellemesi Elektron tünellemesi

L k li t Lokalize etme

(hapsetme) Fotonik kristaller Elektronik yarıiletken kristaller

Foton geçişi Elektron geçişi

FOTON - ELEKTRON

Serbest ilerleme dispersiyon eğrileri

Serbest ilerleme dispersiyon eğrileri

FOTON - ELEKTRON

FOTON - ELEKTRON

FOTON - ELEKTRON