Spektroskopie
Als Spektroskopie bezichnet man eine Reihe von physikalischen Verfahren, bei denen eine Strahlung in bestimmte Eigenschaften zerlegt und dann gemessen wird. Die Verteilung dieser Eigenschaften (z.B. Wellenlänge, Energie, Masse) wird als ein "Spektrum" dargestellt. Mnachmal wird auch alternativ der Begriff "Spektrometrie" benutzt (skopie = Betrachtung; metrie = Messung).
Im Blickpunkt stehen dabei in aller Regel elektromagnetischer Strahlungen, anhand derer man Rückschlüsse auf die aussendete Materie erhalten möchte. Das Gerät, mit demman die zu untersuchende Strahlung auffängt, nennt man Detektor. Zur Spektrometrie / Spektroskopie gehören die Erzeugung, Beobachtung, Registrierung, Ausmessung sowie die abschließende Interpretation der Spektren (Spektralanalyse)
Isaac Newton: Lichtspektrum
Einer der ersten, die sich mit dem Thema wissenschaftlich befassten, war Isaac Newton. Er nutzte 1676 ein gläsernes Prisma, um damit einfaches Sonnenlicht in seine verschiedenen Wellenlängen aufzuspalten - dadurch entsteht ein "Regenbogen". Da wir Licht als Farben mit unseren menschlichen Augen sehen können, entfiel in diesem Fall der Detektor. Oder anders gesagt: die Augen wirken bereits wie ein Detektor. Das Lichtspektrum, dass sich daraus ergibt, sieht folgendermaßen aus:
(Hinweis: ca. 5-8% der männlichen Bevölkerung haben eine Rot-Grün-Sehschwäche, man könnte also etwas flappsig sagen: deren Detektoren funktionieren nicht richtig).
Man nutzt die Spektroskopie für folgende Dinge zu analysieren:
- Eigenschaften der Strahlung selbst
- Eigenschaften der Strahlungsquelle (Emissionsspektroskopie)
- Eigenschaften des Transportmediums, durch das sich die Strahlung bewegt, z.B. Luft oder Wasser (Absorptionsspektroskopie)
Die beiden Wissenschaftler Gustav Robert Kirchhoff (1824 - 1887) und Robert Wilhelm Bunsen (1811 - 1899; Erfinder des Bunsenbrenners) entwickelten 1859/60 ein Verfahren, das als sog. Spektralanalyse in die Physik einging. Dabei lassen sich anhand der Strahlung Aussagen über die materielle Zusammensetzung der Strahlungsquelle machen.
Kirchhoff und Bunsen entdeckten bei der Untersuchung der Sonne mit Hilfe der Spektralanalyse zwei bis dahin unbekanntes Elemente: Rubidium und Cäsium. Das Spektroskop bestand - ähnlich wie bei Newton - aus einem Prisma mit zwei Linsen und einem Okular in einem Holzkasten. Das Prisma zerlegte das einheitliche weiße Licht in ein Spektrum. Brachte man eine Salzprobe in eine Bunsenbrenner-Flamme (eine Kerzenflamme brachte keine guten Resultate), so zeigte das Spektroskop für jedes Element ganz charakteristische Farblinien (Emissisionsspektren) an bestimmten Stellen des Spektrums.
Man benötigt das heutzutage zum Beispiel in der Astronomie dazu, um anhand der Strahlung die chemische Zusammensetzung eines Sternes oder eines Planeten zu ermitteln (ob es zum Beispiel eine Atmosphäre gibt oder Wasser).
Wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie
Eine spezielle Art der Spektroskopie ist die Wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie, kurz WDX. Hierbei macht man sich zunutze, dass Elemente, die man von außen mit Elektronen beschießt (Energie zuführt), eine charakteristische Röntgenstrahlung emittieren. Das besondere ist, dass jedes chemische Element eine ganz eigene Strahlung aussendet, so dass man anhand dieses Spektrums auf die in der untersuchten Probe vorhandenen Elemente schließen kann. So kann man zum Beispiel analysieren, ob ein Metall wirklich aus Gold besteht und wie hoch der Anteil innerhalb einer Legierung ist.
Ressourcen / Quellen
- photonik-campus.de: Grundlagen der Spektroskopie
- lernhelfer.de: Spektralanalyse
- Optikunde: Lichtstrahlen