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Spektroskopie



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

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 / Emission der Photonen bzw. Lichtquanten.

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

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 oder ausgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge) gemessen.

Als Spektrum bezeichnet man allgemein eine Auftragung einer zur Energie proportionalen Größe (z.B. Frequenz, Wellenzahl, Kreiswellenzahl) 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

  • auf die innere Struktur oder die Temperatur (z.B. bei Sternen)
  • die stoffliche Zusammensetzung oder die Dynamik einer chemischen Reaktion
  • Die analytische Spektroskopie erkennt Atome oder Moleküle an der charakteristischen Form ihrer Spektren.
  • Die Präzisionsspektroskopie setzt sich zum Ziel, aus der genauen Lage oder der Stärke von Spektrallinien physikalische Größen, zum Beispiel Naturkonstanten zu bestimmen oder Hypothesen über Naturgesetze zu testen.

Physikalische Grundlagen

Strahlungsquellen

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.

Astronomie

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

  • der Nachweis des Doppler-Effektes an Sternen (siehe auch Radialgeschwindigkeit)
  • und (um 1920) an Galaxien (siehe Rotverschiebung),
  • von Magnetfeldern auf Sonne und hellen Sternen (Zeeman-Effekt)
  • und vor allem die Feststellung von Stern-Temperaturen und der Spektralklassen (siehe auch [[HRD-Diagramm und Sternentwicklung).

Die zugehörigen Messinstrumente ("Spektralapparate") der Astrospektroskopie sind:

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.

Spektroskopiearten nach Wellenlängen und untersuchten Eigenschaften

EM-Strahlung Wellenlänge Frequenzber. Wellenzahl in cm-1 Energieber. in kJ/mol untersuchte Eigenschaft Spektroskopische Methode
Radiowellen 100 m - 1 m 3 MHz - 300 MHz 10-4 - 0,01 10-6 - 10-4 Änderung des Kernspinzustandes Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
Mikrowellen 1 m - 1 cm 300 MHz - 30 GHz 0,01 - 1 10-4 - 0,01 Änderung des Elektronenspinzustandes oder Hyperfeinzustandes Elektronenspinresonanz (ESR/EPR), Ramsey-Spektroskopie (Atomuhren)
Mikrowellen 1 cm - 100 µm 30 GHz - 3·1012 1 - 100 0,01 -1 Änderung des Rotationszustandes Mikrowellenspektroskopie
Infrarotstrahlung 100 µm - 1 µm 3·1012 Hz - 3·1014 Hz 100 - 104 1 - 100 Änderung das Schwingungszustandes Schwingungsspektroskopie; (Infrarotspektroskopie (IR) und Ramanspektroskopie, Ultrakurzzeit-Spektroskopie)
sichtbares Licht; UV-Strahlung 1 µm - 10 nm 3·1014 Hz - 3·1016 Hz 104 - 106 100 - 104 Änderung des Zustandes der äußeren Elektronen UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis), Fluoreszenzspektroskopie; Ultrakurzzeit-Spektroskopie; Atomspektroskopie
Röntgenstrahlung 10 nm - 100 pm 3·1016 Hz - 3·1018 Hz 106 - 108 104 - 106 Änderung des Zustandes der Rumpfelektronen Röntgenspektroskopie (XRS); Elektronenspektroskopie; Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES); Mößbauer-Spektroskopie
Gammastrahlung 100 pm - 1 pm 3·1018 Hz - 3·1020 Hz 108 - 1010 106 - 108 Änderung des Kernzustandes (Anordnung der Nukleonen) Gammaspektroskopie

Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik

Literatur

Allgemeine Lehrbücher

Spezielle Werke

  • P. W. Atkins, R. S. Friedman, Molecular Quantum Mechanics, 4. Aufl., Oxford University Press, Oxford, 2004, ISBN 0199274983.
  • P. F. Bernath, Spectra of Atoms and Molecules, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford, 2005, ISBN 978-0195177596.
  • W. Demtröder, Atoms, Molecules and Photons, 1. Aufl., Springer, Berlin, 2005, ISBN 978-3540206316.
  • W. Demtröder, Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation, 3. Aufl., Springer, Berlin, 2002, ISBN 978-3540652250.
  • W. Demtröder, Molecular Physics: Theoretical Principles and Experimental Methods, 1. Aufl., Wiley-VCH, 2005, ISBN 978-3527405664.
  • J. D. Graybeal, Molecular Spectroscopy, McGraw-Hill Education, 1988, ISBN 978-0070243910.
  • H. Haken, H. C. Wolf, Atom- und Quantenphysik, 8., aktualis. u. erw. Aufl., Springer, Berlin, 2003, ISBN 978-3540026211.
  • H. Haken, H. C. Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie, 5., neu bearb. u. erw. Aufl., Springer, Berlin, 2006, ISBN 978-3540303145.
  • J. M. Hollas, Modern Spectroscopy, 4. Aufl., John Wiley & Sons, Chichester, 2003, ISBN 0470844167.
  • 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 978-0486639413.
 
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