Absorptionsspektroskopie

Spektroskopie ist eine Gruppe von Beobachtungsverfahren, die anhand des Spektrums (Farbzerlegung) von Lichtquellen untersuchen, wie elektromagnetische Strahlung und Materie in Wechselwirkung stehen.

Spiritusflamme und ihr Spektrum
Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums

Sie sind wichtige Analysemethoden der Physik, Chemie und Astronomie und gehen auf eine 1859 von Kirchhoff und Bunsen gemachte Entdeckung zurück, dass verschiedene chemische Elemente die Flamme eines Gasbrenners auf charakteristische Weise färben. Zuvor hatte bereits Joseph von Fraunhofer 1814 im Spektrum der Sonne auftretende dunkle Linien untersucht, ohne allerdings ihren Ursprung erklären zu können. Spektroskopische Beobachtungen gaben entscheidende Impulse für die Entwicklung der Quantenmechanik.

Man unterscheidet drei Fälle der Wechselwirkung:

  1. elastische Streuung: Man beobachtet nur eine Impulsänderung der Photonen. Beispiele sind die Röntgenbeugung, Neutronen- und Elektronenbeugung
  2. inelastische Streuung: z. B. Raman-Spektroskopie
  3. resonante Absorption bzw. Emission von Photonen.

Im allgemeineren Sinne wird die Bezeichnung Spektroskopie auch für die Messung der Energieverteilung von z. B. Gammastrahlung oder Teilchenstrahlungen wie Alpha-, Beta-Strahlung oder freien Neutronen gebraucht.

Inhaltsverzeichnis

Spektroskopie im engeren Sinn

Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe. Obere Aufnahme mit einem 256-Pixel-Zeilensensor. Untere Aufnahme mit einer Kamera

Spektroskopie im engeren Sinn bezieht sich meistens auf den letzteren Fall. Man untersucht, bei welchen Frequenzen oder Wellenlängen eine Substanz Energie in Form von Lichtquanten bzw. elektromagnetischen Wellen aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren) kann.

Die Energie eines Lichtquants oder die dementsprechende Frequenz einer elektromagnetischen Welle entspricht dabei der Energiedifferenz zweier quantenmechanischer Zustände der zu untersuchenden Substanz:

\Delta E = \mathit{h} \cdot \nu

Darin ist h die Planck-Konstante, ν die Frequenz des Lichtquants und ΔE die Energiedifferenz. Diese Gleichung wird auch als Grundgleichung der Spektroskopie bezeichnet. Die Energiedifferenzen quantenmechanischer Zustände hängen von der chemischen Zusammensetzung einer Probe oder der Struktur eines Moleküls ab und enthalten daher wichtige Informationen für den Chemiker, Physiker und Biologen.

Historisch bezeichnet der Begriff in erster Linie solche Verfahren, die die Absorption oder Emission von Licht untersuchen. Mit Hilfe eines Spektrometers wird dabei ein Lichtspektrum (Intensität des absorbierten, reflektierten oder ausgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge) gemessen. Die Spektren unterscheiden sich erheblich von Element zu Element, wie in den Bildern zu sehen ist.

Als Spektrum bezeichnet man allgemein eine Auftragung einer zur Energie proportionalen Größe (z. B. Frequenz, Wellenzahl) gegen eine Intensität. Der Begriff darf nicht mit Chromatogramm (Retentionsgröße gegen Intensität) in der Chromatographie oder Massenspektrum (Masse gegen Intensität) in der Massenspektrometrie verwechselt werden.

Neben dem Bereich des sichtbaren Lichts deckt die Spektroskopie heute einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums ab, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung.

Ziel der Spektroskopie ist es, aus dem gemessenen Spektrum Rückschlüsse auf die Probe bzw. den strahlenden Körper zu ziehen – etwa

Physikalische Grundlagen

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Klassische Spektroskopie

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

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 1 cm…100 µm 30·109…3·1012 Hz 1…100 cm−1 0,01…1 kJ/mol Änderung des Rotationszustandes Mikrowellenspektroskopie
Infrarotstrahlung 100 µm…1 µm 3·1012…3·1014 Hz 100…104 cm−1 1…100 kJ/mol Änderung das Schwingungszustandes Schwingungsspektroskopie; (Infrarotspektroskopie (IR) 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), Fluoreszenzspektroskopie; Ultrakurzzeit-Spektroskopie; Atomspektroskopie
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

Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik

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  1. Atomspektroskopie
  2. Molekülspektroskopie
  3. Festkörperspektroskopie
  4. Massenspektrometrie (MS) Die Massenspektrometrie (oft auch falsch Massenspektroskopie genannt) ist kein Spektroskopie-Verfahren im eigentlichen Sinne. Dennoch wird sie in diesem Zusammenhang häufig genannt, weil sie in der Analytik einen ähnlichen Zweck erfüllt.
  5. Ultrakurzzeit-Spektroskopie
  6. Laserspektroskopie
  7. Impedanzspektroskopie
  8. Ionen-Spektroskopie

Molekülspektroskopie

Bei der Molekülspektroskopie wird die Wechselwirkung von Molekülen mit elektromagnetischen Feldern untersucht. Dies ermöglicht sowohl die Charakterisierung molekularer Eigenschaften wie Bindungslängen und -stärken, als auch die Identifizierung der atomaren Bestandteile. Die beobachteten Molekülspektren unterscheiden sich von den Atomspektren durch sehr viel mehr, meist überlappende Linien („Banden“). Ursache dafür ist, dass die Moleküle nicht nur durch Elektronenübergänge, sondern auch bei Schwingungen der Atome gegeneinander und Rotationen des Moleküls um eine seiner Achsen Energie absorbieren bzw. emittieren können.

Die grundlegenden Untersuchungen zur Molekularphysik wurden Anfang des letzten Jahrhunderts mit hochauflösenden Gitterspektralapparaten gemacht (siehe z. B. den Artikel Gitterspektrometer). Heute werden hochgenaue Untersuchungen an Molekülen häufig mit laserspektroskopischen Verfahren durchgeführt.

Spektroskopie in der Astronomie

Gedenktafel in Heidelberg

Das Element Helium wurde – lange vor seinem terrestrischen Nachweis auf der Erde – zunächst durch spektroskopische Untersuchungen des Sonnenlichtes erkannt. Als eine bestimmte Spektrallinie auf keinem Wege labor-chemischen Substanzen zugeordnet werden konnte, vermutete man, dass auf der Sonne ein unbekanntes Element existieren müsse.

Weitere klassische Erfolge der astronomischen Spektralanalyse bzw. -Spektroskopie sind

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

Literatur

Allgemeine Lehrbücher

Spezielle Werke

deutsch
  • Wolfgang Demtröder: Molekülphysik: Theoretische Grundlagen und experimentelle Methoden. 1. Auflage. Oldenbourg, 2003, ISBN 3-486-24974-6. 
  • Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken. 5. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 3-540-33792-X. 
  • H. Haken, H. C. Wolf: Atom- und Quantenphysik. 8. Auflage, Springer, Berlin 2003, ISBN 978-3-540-02621-1.
  • H. Haken, H. C. Wolf: Molekülphysik und Quantenchemie. 5. Auflage, Springer, Berlin 2006, ISBN 978-3-540-30314-5.
englisch
  • P. W. Atkins, R. S. Friedman: Molecular Quantum Mechanics. 4. Auflage, Oxford University Press, Oxford 2004, ISBN 0-19-927498-3.
  • P. F. Bernath: Spectra of Atoms and Molecules. 2. Auflage, Oxford University Press, Oxford 2005, ISBN 978-0-19-517759-6.
  • W. Demtröder: Atoms, Molecules and Photons. Springer, Berlin 2005, ISBN 978-3-540-20631-6.
  • J. D. Graybeal: Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill Education, 1988, ISBN 978-0-07-024391-0.
  • J. M. Hollas: Modern Spectroscopy. 4. Auflage, John Wiley & Sons, Chichester 2003, ISBN 0-470-84416-7.
  • E. B. Wilson, Jr., J. C. Decius, P. C. Cross: Molecular Vibrations – The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra. Dover Publications, New York 1980, ISBN 978-0-486-63941-3.
  • Gordon G. Hammes: Spectroscopy for the biological sciences. Wiley-Interscience, Hoboken 2005, ISBN 0-471-71344-9

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