Spektroskopie

Spektroskopie (oder Spektrometrie) ass eng Grupp vu physikalesche Methoden, an deenen eng Stralung no enger bestëmmter Eegenschaft wéi Energie, Wellelängt, Mass a.s.w. zerluecht gëtt. Déi observéiert Intensitéitsverdeelung gëtt Spektrum genannt. Instrumenter, déi opzeechnen heeschen Spektrometer. Fir d'visuell Observatioun vum Spektrum vu visuellem Liicht, déi dem Isaac Newton fir d'éischt gelonge war, déngen Spektroskope.

Déi ënnersicht Stralungen enthalen de ganze Beräich vun den elektromagnéitesche Wellen an de mechanesche Welle wéi Schall a Waasserwelle, souwéi Deelchenstralen z. B. aus Elektronen, Ionen, Atomen oder Moleküllen. D'Spektroskopie gëtt agesat, fir d'Eegenschaften vun der Stralung selwer ze studéieren, oder d'Eegenschafte vun der Stralequell (Emissiounsspektroskopie) oder d'Eegenschafte vun engem tëscht der Quell an dem Spektrometer leiendem Transportmedium (Absorptiounsspektroskopie).

Weist e Spektrum schaarf a vunenee getrennt Intensitéitsmaxima, gëtt et allgemeng als Linnespektrum bezeechent, am anere Fall als kontinuéierleche Spektrum. Dacks si Spektren aus dëse béide Grondtyppe gemëscht.

Beispillsweis ass d'Energie- oder Wellelängespektrum vun der Wäermestralung vum kontinuierlechen Typ mat engem breede Maximum, un deem senger Lag een d'Temperatur vum stralenden Kierper ofliese kann. Dogéint weist dat vun Atome fortgeschéckt oder absorbéiert Liicht e Linnespektrum, un deem een déi cheemesch Elementer, zu deenen d'Atome gehéieren, eendeiteg identifizéiere kann (Spektralanalys nom Kirchhoff an Bunsen, 1859). Analog weisen d'Molekülle vun enger cheemescher Verbindung bei Ënnersich mat engem Massespektrometer eng charakteristesch Verdeelung vun de Brochstéckmasse. Déi béid leschtgenannt spektroskopesch Methode weisen héich Empfindlechkeet a ginn dofir bei cheemeschen Analyse routineméisseg zum Nowäis vu Zousätz friemer Stoffer a klengster Konzentratioun agesat.

Spektroskopesch Observatioune vun de Linnespektre vun den Atomer a Moleküllen hunn entscheedend Impulse fir d'Entwécklung vun der Atomphysik an der Quantemechanik ginn. Déi héich Prezisioun, mat där vill hirer Spektrallinne gemooss könne ginn, erlaabt ë. a. déi genee Iwwerpréiwung vu Naturgesetzer, d'Bestëmmung vun Naturkonstanten an d'Definitioun vun den Basiseenheeten Meter a Sekonn.

Spektroskopie elektromagnéitescher Stralung

Physikalesch Grondlagen

E Spektrum am Sënn vun dësem Artikel ass d'Opdroung vun enger spektraler Leeschtungsdicht iwwer enger Energieskala (Frequenz, Wellenzuel) respektiv enger reziproker Energieskala. Den Zesummenhank tëscht der Frequenz $\nu \,$ vun enger elektromagnéitescher Well an der Energie $E\,$ vun de Liichtquanten ass dobäi ginn duerch

E=h\cdot \nu \,

mat de Planck-Konstanten $h\,$ .

Grondlag fir Verstoe vu Spektren (ouni op dat eigentlecht formal korrekt Orbitalmodell zeréckzegräifen) ass d'Atommodell vum Bohr. Mat dësem kann een d'Absorptioun an Emission von Photonen durch Übergänge zwischen verschiedenen den Energieniveau vun engem Atom erklären. Déi absorbéiert respektiv emittéiert Energie $\Delta E\,$ ass dobäi duerch den ufänglechen Energieniveau $E_{n}\,$ an dem Enn-Energieniveau $E_{m}\,$ festgeluecht. An der Quantemechanik bezeechent een dësen Energieniveau als Zoustand.

Dobäi gëllt:

\Delta E=E_{n}-E_{m}=h\cdot \nu \,

Ass $E_{n}>E_{m}\,$ , d'Differenz also positiv, sou handelt et sech bei dësem Beispill ëm Emissioun, bei negative Virzeechen, also $E_{n}<E_{m}\,$ dann ëm Absorptioun.

Strukturen am Spektrum ginn Hiweiser dorop, wéi eng Energiebeträg eng Substanz ophuelen (absorbéiere) oder ofginn (emittéiere) kann.

Klassesch Spektroskopie

D'Ënnersich vun der Liichtemissioun respektiv -absorptioun vu Molekülle am Atome mat Hëllef vu Gitter- a Prismespektrometer sinn déi eelst spektroskopesch Methode. Si ginn dofir och als klassesch Spektroskopie bezeechent. Vill vun de grondléenden Ënnersich iwwer den Opbau vum Atom goufen eréischt duerch d'Entwécklung an d'Uwendung vun héichopléisende Gitter- a Prismespektrometer méiglech.

Spektroskopieaarten

D'Andeelung vun de ville spektroskopesche Methoden ass villfälteg a an der Literatur net ëmmer eenheetlech. Allgemeng ënnerscheet een ufanks tëscht Methode vun der Atom- an der Moleküllspektroskopie. D'Atomspektroskopie faasst spektroskopesch Methode, déi op Emissiouns-, Absorptiouns- oder Fluoreszenzvirgäng bei Atome zeréckginn a fir d'Bestëmmung vu cheemeschen Elementer agesat ginn. Déi observéiert Spektre sinn am Allgemenge Linnespektren. Déi moleküllspektroskopesch Methode baséieren dogéint op d'Ureegung an Auswäertung vu Rotatiouns-, Schwéngungs- an Elektronenzoustänn an de Moleküllen. Duerch d'Iwwerlagerung vun Eenzelzoustänn ginn dobäi keng Linnespektre mä sougenannt Bännerspektren observéiert.

Nieft dëser Basisandeelung, no der Aart vun den ënnersichten Zoustänn, gëtt et vill aner Ënnerdeelungen, beispillsweis no der Ureegungsenergie vun der elektrescher Stralung (z. B. Mikrowellespektroskopie, Röntgenspektroskopie), vum Aggregatzoustand (z. B. Festkierperspektroskopie) oder vun der Ureegungsaart (z. B. Elektronespektroskopie, Laserspektroskopie).

Spektroskopieaarten no Wellelängten an ënnersichten Eegenschaften
EM-Stralung	Wellelängt	Frequenzberäich	Wellenzuel	Energieberäich	ënnersicht Eegenschaft	Spektroskopesch Method
Radiowellen	100 m…1 m	3•10⁶…300•10⁶ Hz	10⁻⁴…0,01 cm⁻¹	10⁻⁶…10⁻⁴ kJ/mol	Ännerung vum Kärspinzoustand	Kärresonanzspektroskopie (NMR, oder Héichfrequenzspektroskopie)
Mikrowelle	1 m…1 cm	300•10⁶…30•10⁹ Hz	0,01…1 cm⁻¹	10⁻⁴…0,01 kJ/mol	Ännerung vum Elektronespinzoustand oder Hyperfäinzoustand	Elektronespinresonanz (ESR/EPR), Ramsey-Spektroskopie (Atomauere)
Mikrowellen	10 cm…1 mm	30•10⁸…3•10¹¹ Hz	0.1…10 cm⁻¹	0,001…0,1 kJ/mol	Ännerung vum Rotatiounszoustand	Mikrowellespektroskopie
Terahertzstralung	1 mm…100 µm	0,3•10¹²…30•10¹² Hz	10…100 cm⁻¹	0,1…1 kJ/mol	Ännerung vum Schwéngungszoustand	Submillimeterwellespektroskopie
Infraroutstralung	1 mm…780 nm	3•10¹¹…3,8•10¹⁴ Hz	10…12,8⁴ cm⁻¹	0,12…153 kJ/mol	Ännerung vum Schwéngungszoustand	Schwéngungsspektroskopie; (Infraroutspektroskopie (IR), Reflexiounsspektroskopie a Ramanspektroskopie, Ultrakuerzzäit-Spektroskopie)
siichtbart Liicht; UV-Stralung	1 µm…10 nm	3•10¹⁴…3•10¹⁶ Hz	10⁴…10⁶ cm⁻¹	100…10⁴ kJ/mol	Ännerung vum Zoustand vun de baussenzegten Elektronen	UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis), Reflexiounsspektroskopie, Fotoleedungsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie; Ultrakuerzzäit-Spektroskopie; Atomspektroskopie; Verglach mat Frequenzkamm
Röntgenstralung	10 nm…100 pm	3•10¹⁶…3•10¹⁸ Hz	10⁶…10⁸ cm⁻¹	10⁴…10⁶ kJ/mol	Ännerung vum Zoustand vun de Kierperelektronen	Röntgenspektroskopie (XRS); Elektronenspektroskopie; Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES); Mößbauer-Spektroskopie
Gammastralung	100 pm…1 pm	3•10¹⁸…3•10²⁰ Hz	10⁸…10¹⁰ cm⁻¹	10⁶…10⁸ kJ/mol	Ännerung vum Kärzoustand (Opstellung vun de Nukleonen)	Gammaspektroskopie

Lëscht mat Spektroskopieaarten a -methoden an der Analytik

Atomspektroskopie – Miessunge vun den Eegenschafte vun eenzelen Atomer, virun allem hirer Elektronen-Energieniveauen
- Atomabsorptiounsspektroskopie (AAS/OAS)
- Atomemissiounsspektrometrie (AES/OES)
  - Induktiv gekoppelt Plasma (ICP-OES)
  - Mikrowelle-Plasmafackel-AES (MPT-AES)
- Atomfluoreszenzspektroskopie (AFS)
- Gammaspektroskopie
- Mößbauer-Spektroskopie (baséierend op dem Mößbauer-Effet)
- Elektronenspektroskopie
  - Photoelektronenspektroskopie mat Röntgenstralen (XPS)
  - Photoelektronenspektroskopie mat UV-Liicht (UPS)
  - Wénkelopgeléiste Photoelektronenspektroskopie (ARPES)
  - Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)
  - Elektronen-Energieverloschtspektroskopie (EELS)
- Röntgenspektroskopie (XRS)
  - Röntgenfluoreszenzanalys (RFA)
  - Röntgenbou (XRD)
  - Röntgenabsorptiounsspektroskopie (XAS)
- Glimmentluedungsspektroskopie (GDOES)
Molekülspektroskopie – Miessunge vun den Eegenschafte vun eenzele Moleküllen, virun allem den Valenzelektronen-Energieniveauen an der Moleküllschwéngungen a -rotatiounen
- Frequenzmodulatiounsspektroskopie
- Fluoreszenzspektroskopie
  - Eenzelmoleküllfluoreszenzspektroskopie
  - Fluoreszenz-Korrelatiouns-Spektroskopie
- Schwéngungsspektroskopie
- Kernresonanzspektroskopie (NMR, och Héichfrequenzspektroskopie)
- CIDNP-Spektroskopie (och NMR-CIDNP-Spektroskopie)
- Elektronenspinresonanz (ESR/EPR)
  - Elektron-Kär-Duebelresonanz (ENDOR)
- Mikrowellenspektroskopie
- UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis)
Festkierperspektroskopie – Miessunge vun den Eegenschafte vu ganze Festkierper (wéi Kristaller), virun allem vun hire Bandstrukturdetailer
Impedanzspektroskopie (Dielektresch Spektroskopie)
Laserspektroskopie
- Cavity-ring-down-Spektroskopie (CRDS, oder CRLAS)
- Laserinduzéiert Fluoreszenz (LIF)
- Ultrakuerzzäit-Spektroskopie – Miessunge vun Detailer vu séiere Virgäng, virun allem vu cheemesche Reaktiounen

Spektroskopie an der Astronomie

D'Spektralanalys vum Sonneliicht an anere Stäre hu fir d'éischt gewisen, datt d'Himmelskierper aus de selwechten Elemente bestinn wéi d'Äerd. Allerdéngs gouf d'Element Helium fir d'éischt duerch spektroskopesch Ënnersich vum Sonneliicht identifizéiert. Eng vun de Spektrallinne am Sonnespektrum konnt joerzéngtelaang kenger bekanntener Substanz zougeuerdert ginn, sou datt bis zum Nowäis vum ierdesche Virkommen ugeholl gouf, datt op der Sonn en onbekannt Element existéiere misst.

Weider klassesch Erfolleg vun der astronomescher Spektralanalys sinn:

de Nowäis vum Doppler-Effet un Stäre (kuckt och Radialvitess)
an (ëm 1920) un Galaxien (kuckt Routverrécklung),
vu Magnéitfelder op der Sonn an helle Stäre (Zeeman-Effet)
a virun allem d'Feststellung vu Stären-Temperaturen an de Spektralklassen (kuckt och Hertzsprung-Russell-Diagramm an Stärenentwécklung).

Déi charakteristesch Miessinstrumenter ("Spektralapparater") vun der Astrospektroskopie sinn:

de Spektroskop an de Spektrometer (béid visuell)
de Spektrograf (fotografesch resp. mat Sensore)
de Monochromator an den Interferenz-Spektrometer
de Frequenzkamm^[1]

Kuckt och

Portal Astronomie

Literatur

Spezialwierker

(de) Hermann Haken, Hans Christoph Wolf: Atom- und Quantenphysik. 8. Oplo. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-02621-5.
(de) Hermann Haken, Hans Christoph Wolf: Molekülphysik und Quantenchemie. 5. Oplo. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-30314-6.
(en) Peter W. Atkins, Ronald Friedman: Molecular Quantum Mechanics. 4. Oplo. Oxford University Press, Oxford 2004, ISBN 0-19-927498-3.
(en) Peter F. Bernath: Spectra of Atoms and Molecules. 2. Oplo. Oxford University Press, Oxford 2005, ISBN 0-19-517759-2.
(en) Wolfgang Demtröder: Atoms, Molecules and Photons. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20631-0.
(en) Jack D. Graybeal: Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill Education, New York NY u. a. 1988, ISBN 0-07-024391-3.
(en) J. Michael Hollas: Modern Spectroscopy. 4. Oplo. John Wiley & Sons, Chichester 2003, ISBN 0-470-84416-7.
(en) 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.
(en) Gordon G. Hammes: Spectroscopy for the biological sciences. Wiley-Interscience, Hoboken NJ 2005, ISBN 0-471-71344-9.

Um Spaweck

Commons: Spektroskopie – Biller, Videoen oder Audiodateien

Grundlagenforschung im Bereich der Spektroskopie

Referenzen

↑ Frequenzkamm in astronomischen Beobachtungen.

[1] Frequenzkamm in astronomischen Beobachtungen.

[1]