Spektroskopie

Spiritusflamme_mit_spektrum.pngSpektroskopie ist ein Sammelbegriff für eine Klasse experimenteller Verfahren, die untersuchen, wie eine Probe Energie in Form von Lichtquanten aufnehmen oder abgeben kann. Die Energie eines Lichtquants entspricht dabei der Energiedifferenz zweier quantenmechanischer Zustände:

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

Darin ist $\mathit{h}$ die Planck-Konstante, $\nu$ die Frequenz des Lichtquants und $\Delta E$ 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, das ist die Intensität des absorbierten oder ausgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge, gemessen. Spectre.svg

Neben dem Bereich des sichtbaren Lichts deckt die Spektroskopie heute einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums ab, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Teilweise werden zur Spektroskopie auch solche Verfahren gezählt, bei denen die Wechselwirkung der Probe mit Teilchen, zum Beispiel Elektronen, abhängig von deren Energie, untersucht wird.

Ziel der Spektroskopie ist es, aus dem erzielten Spektrum Rückschlüsse auf die Probe zu ziehen, zum Beispiel auf deren innere Struktur, stoffliche Zusammensetzung oder Dynamik. 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.

Spektroskopiearten nach Wellenlängen und untersuchten Eigenschaften

-	EM-Strahlung	Wellenlänge	Frequenzber.	Wellenzahl in cm^-1	Energieber. in kJ/mol	untersuchte Eigenschaft	Spektroskopische Methode	-	Radiowellen	100 - 1m	3MHz - 300MHz	10^-4 - 0,01	10^-6 - 10^-4	Änderung des Kernspinzustandes	Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)	-	Radiowellen	1m - 1cm	300MHz - 30GHz	0,01 - 1	10^-4 - 0,01	Änderung des Elektronenspinzustandes	Elektronenspinresonanz (ESR/EPR)	-	Mikrowellen	1cm - 100µm	30GHz - 3*10¹²	1 - 100	0,01 -1	Änderung des Rotationszustandes	Mikrowellenspektroskopie	-	Infrarotstrahlung	100µm - 1µm	310¹²Hz - 310¹⁴Hz	100 - 10⁴	1 - 100	Änderung das Schwingungszustandes	Schwingungsspektroskopie; (Infrarotspektroskopie (IR) und Ramanspektroskopie)	-	sichtbares Licht; UV-Strahlung	1µm - 10nm	310¹⁴Hz - 310¹⁶Hz	10⁴ - 10⁶	100 - 10⁴	Änderung des Zustandes der äußeren Elektronen	UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis), Fluoreszenzspektroskopie; Ultrakurzzeit-Spektroskopie; Atomspektroskopie	-	Röntgenstrahlung	10nm - 100pm	310¹⁶Hz - 310¹⁸Hz	10⁶ - 10⁸	10⁴ - 10⁶	Änderung des Zustandes der Rumpfelektronen	Röntgenspektroskopie (XRS); Elektronenspektroskopie; Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES); Mößbauer-Spektroskopie	-	Gammastrahlung	100pm - 1pm	310¹⁸Hz - 310²⁰Hz	10⁸ - 10¹⁰	10⁶ - 10⁸	Änderung des Kernzustandes (Anordnung der Nukleonen)	Gammaspektroskopie	-

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