Was ist optische Spektroskopie?
Die optische Spektroskopie ist ein Mittel, um die Eigenschaften physikalischer Objekte zu untersuchen, indem gemessen wird, wie ein Objekt Licht emittiert und mit diesem interagiert. Es kann verwendet werden, um Attribute wie die chemische Zusammensetzung, Temperatur und Geschwindigkeit eines Objekts zu messen. Es beinhaltet sichtbares, ultraviolettes oder infrarotes Licht, allein oder in Kombination, und ist Teil einer größeren Gruppe von spektroskopischen Techniken, die als elektromagnetische Spektroskopie bezeichnet werden. Die optische Spektroskopie ist eine wichtige Technik in modernen wissenschaftlichen Bereichen wie Chemie und Astronomie.
Ein Objekt wird sichtbar, indem Photonen emittiert oder reflektiert werden. Die Wellenlängen dieser Photonen hängen von der Zusammensetzung des Objekts sowie von anderen Attributen wie der Temperatur ab. Das menschliche Auge nimmt das Vorhandensein und Fehlen unterschiedlicher Wellenlängen als unterschiedliche Farben wahr. Beispielsweise werden Photonen mit einer Wellenlänge von 620 bis 750 Nanometern als rot wahrgenommen, sodass ein Objekt, das hauptsächlich Photonen in diesem Bereich emittiert oder reflektiert, rot aussieht. Mit einem Spektrometer kann das Licht sehr viel genauer analysiert werden. Diese präzise Messung - kombiniert mit dem Verständnis der unterschiedlichen Eigenschaften von Licht, die verschiedene Substanzen unter verschiedenen Bedingungen erzeugen, reflektieren oder absorbieren - ist die Grundlage der optischen Spektroskopie.
Verschiedene chemische Elemente und Verbindungen unterscheiden sich in ihrer Emission oder Wechselwirkung mit Photonen aufgrund quantenmechanischer Unterschiede in den Atomen und Molekülen, aus denen sie bestehen. Das von einem Spektrometer gemessene Licht, nachdem das Licht von dem zu untersuchenden Objekt reflektiert, durchgelassen oder emittiert wurde, weist sogenannte Spektrallinien auf. Diese Linien sind scharfe Diskontinuitäten von Licht oder Dunkelheit im Spektrum, die ungewöhnlich hohe oder ungewöhnlich niedrige Anzahlen von Photonen bestimmter Wellenlängen anzeigen. Verschiedene Substanzen erzeugen unterschiedliche Spektrallinien, mit denen sie identifiziert werden können. Diese Spektrallinien werden auch von Faktoren wie Temperatur und Geschwindigkeit des Objekts beeinflusst, sodass auch diese durch Spektroskopie gemessen werden können. Neben der Wellenlänge können auch andere Eigenschaften des Lichts, wie z. B. seine Intensität, nützliche Informationen liefern.
Die optische Spektroskopie kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, je nachdem, was untersucht wird. Einzelspektrometer sind spezialisierte Geräte, die sich auf die genaue Analyse spezifischer, enger Teile des elektromagnetischen Spektrums konzentrieren. Sie gibt es daher in den unterschiedlichsten Ausführungen für unterschiedliche Anwendungen.
Eine der Hauptarten der optischen Spektroskopie, die als Absorptionsspektroskopie bezeichnet wird, beruht auf der Bestimmung der Wellenlängen des Lichts, das eine Substanz absorbiert, indem die Photonen gemessen werden, die sie passieren lässt. Das Licht kann speziell für diesen Zweck mit Geräten wie Lampen oder Lasern erzeugt werden oder kann von einer natürlichen Quelle wie Sternenlicht stammen. Es wird am häufigsten bei Gasen verwendet, die diffus genug sind, um mit dem Licht zu interagieren und es dennoch passieren zu lassen. Absorptionsspektroskopie ist nützlich zur Identifizierung von Chemikalien und kann zur Unterscheidung von Elementen oder Verbindungen in einem Gemisch verwendet werden.
Diese Methode ist auch in der modernen Astronomie von großer Bedeutung und wird häufig zur Untersuchung der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung von Himmelsobjekten verwendet. Die astronomische Spektroskopie misst auch die Geschwindigkeit entfernter Objekte, indem sie den Doppler-Effekt ausnutzt. Lichtwellen von einem Objekt, das sich auf den Betrachter zubewegt, scheinen höhere Frequenzen und damit niedrigere Wellenlängen zu haben als Lichtwellen von einem Objekt, das sich relativ zum Betrachter in Ruhe befindet, während die Wellen von einem Objekt, das sich wegbewegt, niedrigere Frequenzen zu haben scheinen. Diese Phänomene werden als Blueshift bzw. Redshift bezeichnet, da durch Erhöhen der Frequenz einer Welle des sichtbaren Lichts in Richtung des blau / violetten Spektrums und durch Verringern der Frequenz in Richtung Rot verschoben wird.
Eine weitere wichtige Form der optischen Spektroskopie ist die Emissionsspektroskopie. Wenn Atome oder Moleküle durch eine äußere Energiequelle wie Licht oder Wärme angeregt werden, nimmt ihr Energieniveau vorübergehend zu, bevor sie in ihren Grundzustand zurückfallen. Wenn die angeregten Teilchen in ihren Grundzustand zurückkehren, setzen sie die überschüssige Energie in Form von Photonen frei. Wie bei der Absorption emittieren verschiedene Substanzen Photonen unterschiedlicher Wellenlänge, die dann gemessen und analysiert werden können. Bei einer gebräuchlichen Form dieser Technik, die als Fluoreszenzspektroskopie bezeichnet wird, wird das zu analysierende Objekt mit Licht, üblicherweise ultraviolettem Licht, angeregt. In der Atomemissionsspektroskopie wird Feuer, Elektrizität oder Plasma verwendet.
Fluoreszenzspektroskopie wird häufig in der Biologie und Medizin eingesetzt, da sie biologische Materialien weniger schädigt als andere Methoden und weil einige organische Moleküle von Natur aus fluoreszieren. Die Atomabsorptionsspektroskopie wird in der chemischen Analyse verwendet und ist besonders wirksam zum Nachweis von Metallen. Verschiedene Arten der Atomabsorptionsspektroskopie werden verwendet, um beispielsweise wertvolle Mineralien in Erzen zu identifizieren, Beweise von Tatorten zu analysieren und die Qualitätskontrolle in der Metallurgie und Industrie aufrechtzuerhalten.