Spektroskopie

Spiritusflamme und ihr Spektrum

Spektroskopie ist eine Gruppe von Methoden, das Energiespektrum einer Probe zu untersuchen, 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

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

Ein Spektrum im Sinne dieses Artikels ist die Auftragung einer Intensität über einer Energieskala (Frequenz, Wellenzahl, Wellenlänge). Der Zusammenhang zwischen der Frequenz ν einer elektromagnetischen Welle und der Energie E der Lichtquanten ist dabei gegeben durch

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

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 ΔE ist dabei durch das anfängliche Energieniveau E_n (in der Quantenmechanik werden diese Energieniveaus als Zustand bezeichnet) und dem End-Energieniveau E_m festgelegt.

Dabei gilt:

$\Delta E= E_n - E_m = \mathit{h} \cdot \nu$

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. Intensitäten im Spektrum hängen insbesondere ab von Konzentrationen, von Auswahlregeln und Besetzungszahlen.

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

Einteilung

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

1. Atomspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Atome, vor allem ihrer Elektronen-Energieniveaus
   • Atomabsorptionsspektroskopie (AAS/OAS)
     • Flammentechnik
     • Graphitrohrtechnik
     • Hydridtechnik
   • Atomemissionsspektroskopie (AES/OES)
     • Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP-AES)
     • Mikrowellen-Plasmafackel-AES (MPT-AES)
   • Atomfluoreszenzspektroskopie (AFS)
   • Gammaspektroskopie
   • Mößbauer-Spektroskopie (beruhend auf dem Mößbauer-Effekt)
   • Elektronenspektroskopie
     • Photoelektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlen (XPS)
     • Photoelektronenspektroskopie mit UV-Licht (UPS)
     • Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES)
     • Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)
     • Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS)
   • Röntgenspektroskopie (XRS)
     • Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)
     • Röntgenbeugungsspektroskopie
     • Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS)
   • Glimmentladungsspektroskopie (GDOES)
2. Molekülspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Moleküle, vor allem der Valenzelektronen-Energieniveaus und der Molekülschwingungen und -rotationen
   • Frequenzmodulationsspektroskopie
   • Fluoreszenzspektroskopie
     • Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie
     • Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie
   • Schwingungsspektroskopie
     • Infrarotspektroskopie (IR)
     • Ramanspektroskopie
   • Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
   • Elektronenspinresonanz (ESR/EPR)
     • Elektron-Kern-Doppelresonanz (ENDOR)
   • Mikrowellenspektroskopie
   • UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis)
3. Festkörperspektroskopie – Messungen der Eigenschaften ganzer Festkörper (wie Kristalle), vor allem deren Bandstrukturdetails
   • Absorptions- oder Transmissionsspektroskopie
   • Reflexionsspektroskopie
   • Fotoleitungsspektroskopie
4. Impedanzspektroskopie (Dielektrische Spektroskopie)
5. Laserspektroskopie
   • Cavity-ring-down-Spektroskopie (CRDS, auch CRLAS)
   • Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)
   • Ultrakurzzeit-Spektroskopie – Messungen der Details von schnellen Vorgängen, vor allem chemischer Reaktionen

Spektroskopie in der Astronomie

Gedenktafel in Heidelberg

Das Element Helium wurde – lange vor dem Nachweis auf der Erde – zunächst durch spektroskopische Untersuchungen des Sonnenlichtes erkannt. Eine Spektrallinie im Sonnenspektrum konnte keiner laborchemischen Substanz zugeordnet werden, so dass auf der Sonne ein unbekanntes Element existieren musste.

Weitere klassische Erfolge der astronomischen Spektralanalyse 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 Hertzsprung-Russell-Diagramm und Sternentwicklung).

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

• das Spektroskop und das Spektrometer (beides visuell)
• der Spektrograf (fotografisch bzw. mit Sensoren)
• der Monochromator und das Interferenz-Spektrometer
• der Frequenzkamm^[1]

Siehe auch

• Rabi-Formel
• Feinstruktur (Physik)
• Übergangsdipolmoment
• Absorptionsspektrum

Literatur

Allgemeine Lehrbücher

• 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 2009, ISBN 978-3-8252-8355-1.
• Physikalische Chemie#Literatur

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 978-3-540-33792-8.
• Hermann Haken, Hans Christoph Wolf: Atom- und Quantenphysik. 8. Auflage. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-02621-5.
• Hermann Haken, Hans Christoph Wolf: Molekülphysik und Quantenchemie. 5. Auflage. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-30314-6.

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

 Commons: Spektroskopie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Grundlagenforschung im Bereich der Spektroskopie
• The Science of Spectroscopy – hervorragende Seite zum Thema nach dem Wiki-Prinzip (engl.)

Einzelnachweise

1. ↑ Frequenzkamm in astronomischen Beobachtungen