Akademik

Spektroskopie

 

[zu Spektrum und griechisch skopeĩn »betrachten«] die, -, Teilgebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung, Analyse, Interpretation und Anwendung von Spektren (Spektrum) elektromagnetischer Strahlung beschäftigt. Wird die Intensität einer Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge, Teilchenmasse oder anderer charakteristischer Größen quantitativ gemessen, spricht man von Spektrometrie (allgemeinsprachlich häufig auch synonym zu Spektroskopie verwendet). Die wichtigsten spektralen Daten sind die Wellenlängen (Frequenzen), Intensitäten und Halbwertsbreiten der Spektrallinien in den für die verschiedenen Stoffe charakteristischen Absorptions-, Emissions-, Fluoreszenz- oder Streulichtspektren. Die mit Spektralapparaten, insbesondere mit Laserspektrometern, durchgeführten spektroskopischen Untersuchungen liefern Informationen über die in der Lichtquelle oder in der durchstrahlten beziehungsweise zur Fluoreszenz angeregten Probe vorhandenen chemischen Elemente oder Verbindungen, sodass die Spektroskopie insbesondere für die Analyse chemischer Stoffe große Bedeutung besitzt (Spektralanalyse). Man erhält weiterhin Aussagen über die physikalischen Eigenschaften von Substanzen wie etwa den strukturellen Aufbau von Atomen, Molekülen und Festkörpern, die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie, die Dynamik der Elementaranregungen von Festkörpern sowie Angaben über Bewegungszustände (Translationen, Schwingungen, Rotationen) oder Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, Ionisationsgrad.

 

Die Spektroskopie wird nach verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt, z. B.:

 

a) nach dem Spektralbereich in Gammaspektroskopie, Röntgenspektroskopie, Ultraviolettspektroskopie (mit der Spektroskopie im sichtbaren [englisch visible] Bereich als UV-VIS-Spektroskopie zusammengefasst), Infrarotspektroskopie, Mikrowellenspektroskopie (Hochfrequenzspektroskopie);

 

b) nach dem Ursprung der analysierten Strahlung in Kernspektroskopie, Atomspektroskopie (z. B. Atomabsorptionsspektroskopie), Molekülspektroskopie, Festkörperspektroskopie (z. B. Auger-Elektronenspektroskopie);

 

c) nach der Art der Wechselwirkung in Absorptionsspektroskopie (beim Durchtritt einer elektromagnetischen Strahlung werden durch die Analysenprobe charakteristische, zur Anregung geeignete Wellenlängenbereiche in ihrer Intensität geschwächt), Emissionsspektroskopie (dabei sendet die Analysenprobe von selbst, z. B. bei der Gammaspektroskopie zur Bestimmung radioaktiver Elemente, oder nach energetischer Anregung, Strahlung aus), in Fluoreszenzspektroskopie, Reflexionsspektroskopie, Streuspektroskopie (Raman-Spektroskopie, Raman-Effekt) oder nichtlineare Laserspektroskopie;

 

d) nach dem Auflösungsvermögen in z. B. hochauflösende Spektroskopie, dopplerfreie Spektroskopie und zeitaufgelöste Spektroskopie;

 

e) nach dem ausgenutzten physikalischen Prinzip z. B. in NMR-Spektroskopie und NQR-Spektroskopie (Zeemann-Effekt), Mikrowellenspektroskopie (Stark-Effekt), Gammastrahlenresonanz-Spektroskopie (Mößbauer-Effekt);

 

f) nach den Messprinzipien, d. h. den verwendeten Spektralapparaten, z. B. in Gitterspektroskopie, Interferenzspektroskopie, Fourier-Spektroskopie, photoakustische Spektrometrie oder Lasersspektroskopie.

 

Durch Einführung des Lasers als Lichtquelle in die Spektroskopie (Laserspektroskopie) wurde eine Erhöhung der Empfindlichkeit konventioneller spektroskopischer Verfahren wie der Fluoreszenz- und der Raman-Spektroskopie bis hin zum Nachweis einzelner Atome oder Moleküle möglich sowie in der Absorptionsspektroskopie mit durchstimmbaren Lasern die Verbesserung des Auflösungsvermögens bis zu der Linienbreite, die durch den zu untersuchenden Stoff gegeben ist. Laser gestatten ferner die Ausdehnung der zeitauflösenden Spektroskopie bis in den Bereich von Piko- und Femtosekunden, womit die Untersuchung von Relaxationsvorgängen in Festkörpern, von Bewegungsvorgängen in Flüssigkeiten und die berührungslose Messung schneller chemischer Reaktionen möglich wird. - Spezifische Verfahren der Laserspektroskopie nutzen die Kohärenz der Laserstrahlung sowie das Auftreten nichtlinear-optischer Effekte (nichtlineare Optik). Beispielsweise äußert sich die gleichzeitige kohärente Anregung von mehreren energetisch eng benachbarten Energiezuständen im Auftreten von Quantenschwebungen (englisch quantum beats), die die Messung kleinster Energiedifferenzen ermöglichen. Zwei- und Mehrphotonenabsorption gestattet in Gasen eine spektrale Auflösung innerhalb der bewegungsbedingten Doppler-Verbreitung von Spektrallinien. »Pump-and-probe-Techniken« (ein intensiver Laserstrahl regt ein atomares System in einen energetisch höheren Zustand an, ein zweiter schwächerer Strahl gleicher oder anderer Frequenz trifft gleichzeitig oder verzögert auf das angeregte System) erlauben die Messung optischer Eigenschaften angeregter Zustände und ihrer zeitlichen Veränderung.

 

Die Verknüpfung von Spektrometern mit leistungsfähigen Computern ermöglicht die schnelle mathematische Verarbeitung von Signalen, z. B. durch Fourier-Transformation (FT-Spektroskopie) oder durch Differenziation der Extinktion nach der Wellenlänge (Derivativspektroskopie), was zu kürzeren Registrierzeiten, einfacheren Gerätekonstruktionen oder besserer Auflösung der Spektren führen kann. Mit Computern lassen sich außerdem in Datenbanken gespeicherte Spektrensammlungen schnell abfragen und für die Identifizierung von Stoffen nutzbar machen.

 

Neben der Analyse elektromagnetischer Strahlung wird mit Spektroskopie ebenso die Untersuchung materieller Teilchenstrahlung bezeichnet, v. a. zur Bestimmung von Energie- und Häufigkeitsverteilungen, z. B. bei der Elektronenspektroskopie und der Neutronenspektroskopie (Neutronenspektrometer) sowie zur Messung von Massenspektren (Massenspektrometrie).

 

Literatur:

 

H. Kuzmany: Festkörper-S. (Neuausg. 1990);

 H. Friebolin: Ein- u. zweidimensionale NMR-S. (²1992);

 W. Demtröder: Laser-S. (³1993);

 F. Kohlrausch: Prakt. Physik, 3 Bde. (²⁴1996).