S P E K T R O S K O P İ

Transkript

1 S P E K T R O S K O P İ Dalga boyu Frekans R E N K S E R İ M

2 S P E K T R O S K O P İ I Ş I K M A D D E Elektromanyetik Dalga

3 SPEKTROSKOPİ : Tanım Spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim (bir miktar madde) tarafından; saçılması, yansıtılması, soğrulmasığ veya salınması ile ilgilenen fen bilimi dalıdır. Elektromanyetik ışıma: Radyo dalgaları (Gamma) ışınlarış Parçacıklar: Nötronlar, elektronlar, protonlar, pozitronlar,... Spektroskopi: k (Latince) ruhtaki resim, ruhun resmi. Bu terimi ilk kullanan kişi: Arthur Schuster, 1882

4 SPEKTROSKOPİ : Tanım

5 SPEKTROSKOPİ : Tanım

6 SPEKTROSKOPİ : Tanım Spektroskopi k sürekli gelişmekte olan bir daldır. Hem var olan tekniklerin 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.

7 SPEKTROSKOPİ : Tarihçe Newton 1666 Spektroskopinin başlangıcı, Herschel: Infrared yy. da Newton un güneş Ritter: UV 1801 Fraunhofer 1814 ışığının çeşitli renklerden Bunsen ve Kırchhoff 1859 oluştuğunu gösteren meşhur Rayleigh 1871 prizma deneyidir. Hallwachs 1887 ve Einstein 1905 Rydberg 1890 Röntgen yüzyılın başında J. J. Thomson 1897 görünmeyen elektromanyetik Aston 1912 ışımanın (IR ve UV) varlığının ğ J. Franck ve G. Hertz 1914 anlaşılması ile Newton Raman ve Smekal 1928 spektrumu genişlemiştir. ş ş Townes ve Basov 1954 Maiman 1960 Turner, Terenin ve Siegbahn 1962 Herzberg 1971 Bloembergen ve Shawlow 1981

8 SPEKTROSKOPİ : Tarihçe

9 SPEKTROSKOPİ : Gelişim Gözlemlenen spektral çizgilerin, incelenen maddelerin karakteristiği olduğu görülmüş, ancak uzun süre bunların pek çoğunun ne ifade ettiği anlaşılamamıştır. Bohr atom teorisi i ile 1885 yılında Balmer tarafından gözlemlenen l hidrojen 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 yadaparçacık türüne göre alt dallara ayrılmaktadır.

10 SPEKTROSKOPİ : Gelişim Günümüzde ü ü 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.

11 IŞIK Işık; frekansı ile periyodik olarak değişen, elektrik alanı ve manyetik alanı 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 de EM teori tanımlanmış, 1887 de Hertz tarafından dalgaların üretilebileceği gösterilmiştir. Radyo Dalgaları E B 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.

12 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 ilerdeki dalga cephesini oluşturur. Kaynak:

13 YOUNG ÇİFT YARIK DENEYİ Young çift yarık deneyinde ey iki noktada (birbirine b belirli bir uzaklıkta ua a ve ekrana a eşit uzaklıkta bulunan noktalar) çıkan eş iki ışının klasik teoride olduğu gibi karanlık, yarı karanlık veaydınlık bileşenlerinden değil, iki noktaya eş mesafedeki noktada maksimum olmak üzere aydınlık ve karanlık saçaklar şeklinde olduğunu göstermiştir. Young çift yarık deneyi (girişim deneyi) Kaynak:

14 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) Kaynak: t / / d /i ik1/r if Kaynak:

15 FOTOELEKTRİK OLAY Bir metal plakaya ışıkk tutularakt elektron koparılması ve buelektronların l karşıdaki ki başka bir metal plakaya ulaştırılması koşulu ile devreden akım geçmesi olayıdır. Kaynak:

16 COMPTON OLAYI Bir foton durgun haldeki bir elektronla çarpıştığında ğ elektron bir P momentumu m kazanır an ve hareket eder. Gelen foton ise geliş doğrultusundan bir açısı yaparak sapar. Bu olaya Compton olayı (Compton saçılması) denir. Kaynak:

17 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 ve Compton Dalga+Tanecik Modeli: Dirac, Heisenberg, Pauli Quantum elektrodinamik

18 M A D D E

19 OPTİK SPEKTROSKOPİ : Temel Düzenek

20 OPTİK SPEKTROSKOPİ : Soğurma

21 OPTİK SPEKTROSKOPİ : Temel Gösterim

22 SPEKTROSKOPİ : Örnek Spektrumlar

23 SPEKTROSKOPİ : Örnek Spektrumlar

24 OPTİK SPEKTROSKOPİ : Hidrojen Atomunun Spektrum Serileri

25 SPEKTROSKOPİ : Elektromanyetik Spektrum

26 SPEKTROSKOPİ : Kutuplanırlık spektrumu

27 SPEKTROSKOPİ : Molekül hareketleri

28 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. ( si.ppt+k%c3%bctle+spektroskopisi&cd=2&hl=tr&ct=clnk&gl=tr).

29 SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektroskopisi

34 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.

35 SPEKTROSKOPİ : NMR görüntüleme

36 SPEKTROSKOPİ : Zeeman olayı

37 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 Kimyasal Foto Işımalı Işımalı Işımalı Uyarı Zaman Biyo Tribo Polarizasyon Emisyon Işımalı Işımalı Ayrışımlı ş Spektroskopisi Spektroskopi Spektroskopi Enerji Aktarımlı Spektroskopi

38 ELEKTROMANYETİK DALGALAR Elektrik ve Manyetizma kanunları Maxwell denklemleri ile özetlenebilirler: İntegral Biçiminde: n s 1. E da 1 Q iç Gauss Kanunu 2. Manyetizma için Gauss Kanunu Bn da 0 s 3. c E dl d dt s BndA Faraday İndüksiyon Kanunu 4. c B dl d I dt s E n da Ampere Kanunu

39 ELEKTROMANYETİK DALGALAR Diferansiyel Biçimde: 1. E Q 2. B 0 E : Elektrik alan B : Manyetik alan B E t B E J t J : Akım yoğunluğu : Dielektrik sabiti : Manyetik geçirgenlik

40 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: ( foton-nedir-foton-hakkinda-genel-bilgiler.html Kaynak:

41 FOTON Durgun kütlesi m 0 =0 Momentumu: p E 2 m c 2 c 2 den p E c Dalgaboyu: h p hc E Hızı: v pc E 2 c

42 ELEKTRON Elektron, en küçük elektrik yüküne (elektriksel yük nicemi) sahip temel parçacıktır. Elektron kelimesi Yunanca amberin ismidir yılında Stoney (George Johnstone Stoney, Philosophical Magazine 40 (1895), 372) tarafından önerilmiştir. Eski Yunan da, amberin bir kedi derisine sürtülünce statik elektrikle yüklendiği 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 kaynağıdır.

43 ELEKTRON Belirli enerji seviyelerinde (aşağıya doğru artarak: n=1,2,3,...) ve açısal 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

44 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 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 gözlenebilmiştir. Atomlarda elektronlar genellikle duran dalga şeklinde düşünülür.

45 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 sonucu mavimsi rengin ortaya çıkması bundan dolayıdır. Elektronların bazı özellikleri tabloda verilmiştir:

46 ELEKTRON Tablo-1: Elektronun özellikleri Sembolü e - Yükü Durgun kütlesi Durgun enerjisi Compton- Dalgaboyu Manyetik momenti 1 e = 1, (14) C 5, (12) 10 4 u (atomik kütle birimi) 9, (72) kg 1 m e 8, (64) J 0, (21) MeV 2, m 928, (37) J T 1 g- faktörü 2, (75) Spini 1/2 Ortalama yaşam süresi Katıldığı etkileşimler deneysel: > yıl (kararlı) zayıf etkileşim elektromanyetik etkileşim kütle çekimi s g s e 2m s : elektron spininin manyetik momenti m e : elektronun lk durgun kütlesi kül e: elektronun yükü s : spini g : Landé çarpanı (nicem kuramında (Dirac) tam olarak 2 değerinde, nicem elektrodinamiğinde ise 2 değerinden sapma gösterebilmektedir. s in önündeki kikatsayı, giromanyetik oran olarak adlandırılır. e s

47 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 m mertebesindedir. Röntgen ışınları ile yapılan saçılma deneyleri sonucu ise etkin elektron yarıçapının m ye denk geleceği sonucuna varılmıştır. Benzer sonuç klasik olarak şu kabuller çerçevesinde de elde edilmiştir: 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 c 2 Fotonların elektronlarla olan toplam saçılma kesiti düşük enerjili fotonlar için r e

48 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.

49 FOTON - ELEKTRON FOTON ELEKTRON ELEKTRON v c p h mv h p h Dalgaboyu: p p ) ( ) ( 1 2 B B E r r V h r H ) ( )) ( ( ) ( 2 Dalga ) ( ) ( ) ( r B c r B r E r r V m r H ) ( )) ( ( 2 ) ( denklemi: ) ( t r k i e E E ) ( t r k i t r k i e e c Boşluktaki yayılım 2 ) ( e e c (düzlem dalga):

50 FOTON - ELEKTRON FOTON ELEKTRON Ortamdaki potansiyel etkileşim: Dielektrik sabit Coulomb etkilşimleri Yasak bölgede yayılım (Klasik olarak): Foton tünellemesi Elektron tünellemesi Lokalize etme (hapsetme) Fotonik kristaller Elektronik yarıiletken kristaller Foton geçişi Elektron geçişi

51 FOTON - ELEKTRON Serbest ilerleme dispersiyon eğrileri

52 FOTON - ELEKTRON

53 FOTON - ELEKTRON

54 FOTON - ELEKTRON