Spektroskopie

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Spiritusflamme und ihr Spektrum

Spektroskopie ist eine Gruppe von Methoden, die das Energiespektrum einer Probe untersucht, indem Strahlung nach ihrer Energie zerlegt wird. Zur visuellen Betrachtung optischer Spektren dienen Spektroskope, aufzeichnende Geräte heißen Spektrometer. Letztere arbeiten auch in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums sowie mit Teilchen wie Elektronen oder Ionen. Dabei kann die Anregung der Probe mit einer Strahlungsart erfolgen und dann eine andere Ausstrahlung der Probe untersucht werden.

Bereits 1814 entdeckte Joseph von Fraunhofer dunkle Linien im Spektrum der Sonne, die Fraunhofer-Linien, ohne allerdings ihren Ursprung erklären zu können. 1859 fanden Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen, dass verschiedene chemische Elemente die Flamme eines Gasbrenners auf charakteristische Weise färben. Diese Art von Anwendung zielt auf die Zusammensetzung der Probe. Wenn dabei quantitative Messungen erfolgen, oft von Konzentrationen, aber auch anderer physikalischer Größen wie Druck oder elektrischer oder magnetischer Felder, so spricht man von Spektrometrie. Dazu zählen im weiteren Sinne auch Methoden, bei denen nicht nach der Energie aufgelöst wird, sondern etwa nach der Masse von Teilchen, siehe Massenspektrometrie.

Oft geht es aber gerade um das Energiespektrum selbst. So gaben spektroskopische Beobachtungen entscheidende Impulse für die Entwicklung der Quantenmechanik und geben Hinweise auf die chemische Struktur unbekannter Substanzen. Die Präzision, mit der manche Spektrallinien gemessen werden können, erlaubt die Bestimmung von Naturkonstanten, den Test von Hypothesen über Naturgesetze und die Definition der Basiseinheiten Meter und Sekunde.

Physikalische Grundlagen[Bearbeiten]

Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe, aufgenommen mit einem 256-Pixel-Zeilensensor bzw. mit einer Kamera

Ein Spektrum im Sinne dieses Artikels ist die Auftragung einer spektralen Leistungsdichte über einer Energieskala (Frequenz, Wellenzahl) bzw. einer reziproken Energieskala. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz \nu\, einer elektromagnetischen Welle und der Energie E\, der Lichtquanten ist dabei gegeben durch

E = h \cdot \nu \,

mit der Planck-Konstanten h \,.

Grundlage zum Verständnis von Spektren (ohne auf das eigentlich formal korrekte Orbitalmodell zurückzugreifen) ist das Bohrsche Atommodell. Mit diesem kann man Absorption und Emission von Photonen durch Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus eines Atoms erklären. Die absorbierte bzw. emittierte Energie \Delta E \, ist dabei durch das anfängliche Energieniveau E_n \, und dem End-Energieniveau E_m \, festgelegt. In der Quantenmechanik bezeichnet man diese Energieniveaus als Zustand.

Dabei gilt:

\Delta E = E_n-E_m = h \cdot \nu \,

Ist E_n  > E_m \,, die Differenz also positiv, so handelt es sich in diesem Beispiel um Emission, bei negativen Vorzeichen, also E_n < E_m \, dann um Absorption.

Strukturen im Spektrum geben Hinweise darauf, welche Energiebeträge eine Substanz aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren) kann. Diese Beträge entsprechen Energiedifferenzen quantenmechanischer Zustände der Probe. Das Spektrum eines Stoffes hängt insbesondere ab von dessen Konzentrationen, von Auswahlregeln und Besetzungszahlen.

Klassische Spektroskopie[Bearbeiten]

Die Untersuchung der Lichtemission bzw. -absorption von Molekülen und Atomen mit Hilfe von Gitter- und Prismenspektrometern sind die ältesten spektroskopischen Verfahren. Sie werden daher auch als klassische Spektroskopie bezeichnet. Viele der grundlegenden Untersuchungen über den Aufbau des Atoms wurden erst durch die Entwicklung und Anwendung hochauflösender Gitter- und Prismenspektrometer möglich.

Spektroskopiearten[Bearbeiten]

Einteilung[Bearbeiten]

Die Einteilung der zahlreichen spektroskopischen Methoden und Verfahren ist vielfältig und in der Literatur nicht immer einheitlich. Allgemein unterscheidet man zunächst zwischen Methoden der Atom- und der Molekülspektroskopie. Die Atomspektroskopie umfasst spektroskopische Verfahren, die auf Emissions-, Absorptions- oder Fluoreszenzvorgängen bei Atomen zurückgehen und zur Bestimmung von chemischen Elementen eingesetzt werden. Die beobachteten Spektren sind im Allgemeinen Linienspektren. Die molekülspektroskopischen Verfahren basieren hingegen auf der Anregung und Auswertung von Rotations-, Schwingungs- und Elektronenzuständen in Molekülen. Durch die Überlagerung von Einzelzuständen werden dabei keine Linienspektren sondern sogenannte Bandenspektren beobachtet.

Neben dieser grundlegenden Einteilung, nach der Art der untersuchten Zuständen, gibt es zahlreiche andere Unterteilungen, beispielsweise nach der Anregungsenergie der elektrischen Strahlung (z. B. Mikrowellenspektroskopie, Röntgenspektroskopie), des Aggregatzustandes (z. B. Festkörperspektroskopie) oder der Art der Anregung (z. B. Elektronenspektroskopie, Laserspektroskopie).

Spektroskopiearten nach Wellenlängen und untersuchten Eigenschaften
EM-Strahlung Wellenlänge Frequenzbereich Wellenzahl Energiebereich untersuchte Eigenschaft Spektroskopische Methode
Radiowellen 100 m…1 m 3·106…300·106 Hz 10−4…0,01 cm−1 10−6…10−4 kJ/mol Änderung des Kernspinzustandes Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
Mikrowellen 1 m…1 cm 300·106…30·109 Hz 0,01…1 cm−1 10−4…0,01 kJ/mol Änderung des Elektronenspinzustandes oder Hyperfeinzustandes Elektronenspinresonanz (ESR/EPR), Ramsey-Spektroskopie (Atomuhren)
Mikrowellen 10 cm…1 mm 30·108…3·1011 Hz 0.1…10 cm−1 0,001…0,1 kJ/mol Änderung des Rotationszustandes Mikrowellenspektroskopie
Terahertzstrahlung 1 mm…100 µm 0,3·1012…30·1012 Hz 10…100 cm−1 0,1…1 kJ/mol Änderung des Schwingungszustandes Submillimeterwellenspektroskopie
Infrarotstrahlung 1 mm…780 nm 3·1011…3,8·1014 Hz 10…12,84 cm−1 0,12…153 kJ/mol Änderung des Schwingungszustandes Schwingungsspektroskopie; (Infrarotspektroskopie (IR), Reflexionsspektroskopie und Ramanspektroskopie, Ultrakurzzeit-Spektroskopie)
sichtbares Licht; UV-Strahlung 1 µm…10 nm 3·1014…3·1016 Hz 104…106 cm−1 100…104 kJ/mol Änderung des Zustandes der äußeren Elektronen UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis), Reflexionsspektroskopie, Fotoleitungsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie; Ultrakurzzeit-Spektroskopie; Atomspektroskopie; Vergleich mit Frequenzkamm
Röntgenstrahlung 10 nm…100 pm 3·1016…3·1018 Hz 106…108 cm−1 104…106 kJ/mol Änderung des Zustandes der Rumpfelektronen Röntgenspektroskopie (XRS); Elektronenspektroskopie; Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES); Mößbauer-Spektroskopie
Gammastrahlung 100 pm…1 pm 3·1018…3·1020 Hz 108…1010 cm−1 106…108 kJ/mol Änderung des Kernzustandes (Anordnung der Nukleonen) Gammaspektroskopie

Liste mit Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik[Bearbeiten]

  1. Atomspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Atome, vor allem ihrer Elektronen-Energieniveaus
  2. Molekülspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Moleküle, vor allem der Valenzelektronen-Energieniveaus und der Molekülschwingungen und -rotationen
  3. Festkörperspektroskopie – Messungen der Eigenschaften ganzer Festkörper (wie Kristalle), vor allem deren Bandstrukturdetails
  4. Impedanzspektroskopie (Dielektrische Spektroskopie)
  5. Laserspektroskopie

Spektroskopie in der Astronomie[Bearbeiten]

Gedenktafel in Heidelberg

Die Spektralanalyse des Lichts der Sonne und anderer Sterne zeigte erstmals, dass die Himmelskörper aus denselben Elementen bestehen wie die Erde. Allerdings wurde das Element Helium zuerst durch spektroskopische Untersuchungen des Sonnenlichtes identifiziert. Eine der Spektrallinien im Sonnenspektrum konnte jahrzehntelang keiner bekannten Substanz zugeordnet werden, so dass bis zum Nachweis des irdischen Vorkommens angenommen wurde, dass auf der Sonne ein unbekanntes Element existieren musste.

Weitere klassische Erfolge der astronomischen Spektralanalyse sind

Die zugehörigen Messinstrumente („Spektralapparate“) der Astrospektroskopie sind:

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Allgemeine Lehrbücher[Bearbeiten]

  •  Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Band 1 bis 8. De Gruyter.
  •  Peter M. Skrabal: Spektroskopie, Eine methodenübergreifende Darstellung vom UV- bis zum NMR-Bereich. vdf Hochschulverlag AG, Zürich 2012, ISBN 978-3-8252-8355-1.
  • Physikalische Chemie#Literatur

Spezielle Werke[Bearbeiten]

deutsch

englisch

  • Peter W. Atkins, Ronald Friedman: Molecular Quantum Mechanics. 4. Auflage. Oxford University Press, Oxford 2004, ISBN 0-19-927498-3.
  • Peter F. Bernath: Spectra of Atoms and Molecules. 2. Auflage. Oxford University Press, Oxford 2005, ISBN 0-19-517759-2.
  • Wolfgang Demtröder: Atoms, Molecules and Photons. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20631-0.
  • Jack D. Graybeal: Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill Education, New York NY u. a. 1988, ISBN 0-07-024391-3.
  • J. Michael Hollas: Modern Spectroscopy. 4. Auflage. John Wiley & Sons, Chichester 2003, ISBN 0-470-84416-7.
  • E. Bright Wilson Jr., J. C. Decius, Paul C. Cross: Molecular Vibrations – The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra. Dover Publications, New York NY 1980, ISBN 0-486-63941-X.
  • Gordon G. Hammes: Spectroscopy for the biological sciences. Wiley-Interscience, Hoboken NJ 2005, ISBN 0-471-71344-9.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Spektroskopie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Frequenzkamm in astronomischen Beobachtungen.