ATOM SPEKTOGRAFİSİ NEDİR VE NASIL ÇALIŞIR?

Yıldızımız Güneş ile Dünyamız arasında yaklaşık 149 milyon kilometre mesafe bulunduğunu biliyoruz. Güneşimizden sonra Dünyamıza en yakın yıldız ile aramızdaki mesafe yaklaşık 4,24 ışık yılıdır. Bir ışık yılı, ışığın bir yılda aldığı yolu ifade eder ve ışık sadece 1 saniyede 299.792.458 metre yol kateder. Bu durumda bir ışık yılı da yaklaşık 9 trilyon kilometre olmuş olur. Peki bilim insanları bizden bu denli uzak olan gök cisimlerinin yapısındaki elementleri nasıl biliyor? Veya en basitinden spektroskoplar kendilerine verilen bir gazın içeriğini nasıl tespit edebiliyor?

Sir Isaac Newton sayesinde beyaz ışığın farklı dalga boylarına (renklere) sahip ışıkların birleşiminden oluştuğunu ve beyaz ışığın bir prizmadan geçtiği takdirde renklerine ayrıştığını biliyoruz.1800’lü yıllarda Joseph von Fraunhofer ve diğer bilim insanları Güneş ışığının spektrumunda (prizmadan geçirilen Güneş ışığının renklerine ayrıştırılıp incelenmesi) bazı koyu renkli çizgiler gözlemledi. Bu çizgiler, ışığın belli dalga boylarında absorbe edildiğinin habercisiydi. Fraunhofer çizgileri olarak adlandırılan bu çizgiler, elementlerin kimliğini belirlemeye yönelik önemli ipuçları oluşturdu.

1850’lerde Gustav Kirchhoff ve Robert Bunsen, spektroskopiyi geliştirerek farklı elementlerin kendilerine özgü spektrum çizgilerine sahip olduğunu keşfetti. Bu çizgiler, (birazdan da değinileceği üzere) her elementin kendine özgü belirli dalga boylarında ışıma (emisyon) veya soğurma (absorbsiyon) yapması anlamına geliyordu.1885 yılında Johann Balmer hidrojen atomunun spektrumundaki belirli çizgilerinin dalga boylarını matematiksel olarak tanımlayabilecek bir formül geliştirdi. Böylece atom spektrumlarının düzenli bir yapıya sahip olduğunu gösterdi. Zamanla elektronun keşfedilmesi ( J. J. Thomson), Bohr Modelinin öne sürülmesi (Niels Bohr) ve kuantum mekaniğinin gelişimi ile modern spektroskopi geliştirildi. Bu sürecin yapısının anlaşılabilmesi için bazı temel kavramları bilmek gerekir. Öncelikle, ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğunu ve farklı dalga boyları veya frekanslar aracılığıyla taşınabildiğini hatırlamakta yarar var. Atomlar bu ışığı emebilir veya yayabilir. Bu süreçte ışık, bahsedildiği gibi dalga boyuna bağlı olarak enerjiyi taşır ve her dalga boyu belli bir enerjiye karşılık gelir. Bu enerji, atom içinde elektronları belli enerji seviyelerine çıkarmak ya da düşürmek için kullanılabilir. Bir atom içindeki elektronlar, atom çekirdeği etrafında belli enerji seviyelerinde bulunur. Bu enerji seviyeleri sadece belli değerleri alabilir dolayısıyla “kuantizedir”. Elektronlar düşük enerjili seviyeden yüksek enerjili bir seviyeye geçmek için belli miktarda enerji almak zorundadır. Tam tersi şekilde, elektronlar yüksek enerjili bir seviyeden düşük enerjili bir seviyeye geçerken belirli bir miktarda enerji kaybeder ve bu enerjiyi de foton olarak yayarlar. Her elementin enerji seviyeleri farklı olduğundan, her element kendine özgü bir ışık spektrumu üretir. Spektrum, iki ana türde incelenebilir:

Elektronların yüksek enerjili seviyeden düşük enerjili seviyeye düşmesi sonucunda yapılan ışıma, emisyon spektrumu olarak adlandırılır. Buna bir örnek olarak gaz halde ısıtılan bir element verilebilir. Element ısı enerjisini aldığında elektronları yüksek enerjili seviyelere “sıçrar”. Bu elektronlar eski hâline geri döndüğünde ortaya belli dalga boylarında ışık saçılır ve bu saçılma her elementte farklıdır. Dolayısıyla bilim insanları ortaya çıkan ışığı prizmadan geçirip incelediğinde elementin türünü tespit edebilir.

İkinci spektrum türünün anlaşılabilmesi için sürekli spektrum kavramının bilinmesi gerekir. Beyaz ışığın prizmadan geçirilmesiyle oluşan ve tüm dalga boylarını içeren spektrum bandı, sürekli spektrum olarak adlandırılır. Bilim insanları beyaz ışığı genellikle gaz halinde bir elementten geçirdiğinde (elemente özgü olarak) bazı dalga boylarında soğrulmalar görülür. Sürekli spektrum bandı üzerinde ışık olmayan çizgiler şeklinde görülen bu durum ise elementin absorbsiyon spektrumu olarak adlandırılır.

Atomların spektrum çizgileri, elektronların enerji seviyeleri arasındaki geçişler sonucunda yaydığı veya absorbe ettiği fotonların dalga boyuna göre belirlenir. Bir fotonun enerjisi, planck sabiti ve frekansının çarpılması sonucu hesaplanır. Yani E=h*f. Bu enerji, aynı zamanda enerji seviyeleri arasındaki farkın belirlenmesinde de kullanılır. Görüldüğü üzere atom spektrumları (spektrograf adı verilen gelişmiş aletlerle ölçülerek) kimya, fizik, astronomi gibi pek çok alanda sıklıkla kullanılır.

Artık atom spektrografisinin çalışma biçimini öğrendiğimize göre yazının başında sorduğumuz sorulara geri dönebiliriz. Tahminimce bir spektografın nasıl çalıştığı anlaşılabilir duruma gelmiştir. Spektograflar, kendisine verilen maddeden ışık geçirerek (veya maddenin ışık yaymasını sağlayarak) ışığı prizmadan geçirirler. Ardından ışık spektrumundaki gölgeleri ve parlaklıkları yorumlayarak elementleri tespit ederler. Bilim insanları, bahsedilen bu spektografları teleskoplara yerleştirerek uzaya gönderirler. Bunun sebebi spektografların Dünya atmosferindeki elementlerden etkilenmemesini sağlamaktır. Uzaya gönderilen spektografların yıldızların yapısını incelemesi nispeten kolaydır. Yıldızlar görece sıcak gök cisimleri olduğundan içerdikleri elementler emisyon spektrumu yapar ve tarafımızdan tespit edilebilir.

Gezegenler gibi diğer ışık yaymayan gök cisimlerindeki elementlerin tespiti yıldızlara göre daha zordur. Zira yıldız ışığının gezegen atmosferinden geçerek Dünya'ya ulaşması gereklidir. (Yöntem, çoğunlukla yıldız sisteminde bulunan gezegenler veya bir ışık kaynağının önünden geçen gaz-toz bulutları için kullanılır.) Bilim insanları, gezegen atmosferinden geçmiş ışığın absorbsiyon spektrumunu inceleyerek atmosferde bulunan elementleri tespit edebilir. Ayrıca günümüzde hâlen sürmekte olan araştırmalar neticesinde gezegen yüzeyinden yansıyan ışığın spektrumunun incelenmesi sonucunda yüzeye yönelik element tespiti de yapılabilmektedir.