Spektroskopie – eine Einführung

Hallo und herzlich willkommen! Das Thema des heutigen Videos lautet: Einführung in die Spektroskopie. Nach dem Video weißt du, was Spektroskopie ist und warum sie wichtig ist. Um das Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen: 1. wie Materie aufgebaut ist und 2. was elektromagnetische Strahlung ist.

Zunächst ein Mal zur Frage: Was ist Spektroskopie? Dem Wortsinn folgend könnte man da sagen: Spektroskopie ist die Untersuchung oder Betrachtung von Spektren. Aber da schließt sich gleich die Frage an: Was ist ein Spektrum? Nun, das Wort "Spektrum" verwendet man ja häufiger im Alltag und immer bedeutet es da so etwas wie eine Vielfalt von etwas. Zum Beispiel bedeutet das Wort "Meinungsspektrum" eine Vielfalt an Meinungen; oder "Nahrungsspektrum", die Vielfalt an Nahrung, die ein Lebewesen zu sich nimmt. Oder das Klangspektrum eines Konzertes bezeichnet die vielen verschiedenen Arten von Klängen, die darin auftreten und so weiter. Bekannt ist natürlich auch das Farbenspektrum und dieses Farbenspektrum bringt uns der Sache, die wir hier betrachten wollen schon ganz schön nah.

Dazu ein kleines Experiment. Sagen wir mal, wir haben einen Behälter aus durchsichtigem Material, zum Beispiel Quarzglas. Darin befindet sich ein Lösungsmittel, in dem ein bestimmter Stoff gelöst ist. Diesen Behälter bestrahlen wir nun mit weißem Licht, welches ja bekanntlich zusammengesetzt ist aus roten, grünen und blauen Anteilen. Das Licht geht durch die Probe durch, wird dann durch ein Prisma in seine Farben zerlegt und auf einen Schirm projiziert. Auf diesem Schirm sehen wir nun einen roten und einen blauen Fleck. Man spricht auch von einer roten und einer blauen Bande. Eine grüne Bande ist nicht vorhanden. Grünes Licht kam offensichtlich nicht auf unserem Schirm an, warum auch immer. Die rote und die blaue Bande bilden das Spektrum des durchgelassenen Lichtes. Was ist passiert? Wir haben die Probe mit dem Licht bestrahlt und die Probe hat irgendwie auf dieses Licht reagiert. Die Auswirkung auf diese Reaktion können wir dann als Spektrum auf dem Bildschirm bewundern und genau so verhält es sich stets in der Spektroskopie. Wir können an dieser Stelle sagen: Durch die Reaktion eines bestimmten Stoffes auf eine physikalische Einwirkung entsteht ein charakteristisches Spektrum.Wir haben stets einen bestimmten Stoff, den wir untersuchen wollen, eine bestimmte physikalische Einwirkung, die Licht oder was auch immer sein kann, und beides zusammen produziert dann ein charakteristisches Spektrum. Anhand dieses Spektrums gewinnt man dann Informationen über die Eigenschaften des untersuchten Stoffes. Auf unser Experiment bezogen könnte man jetzt also sagen: Unsere Probe absorbiert offensichtlich grünes Licht, rotes und blaues lässt sie dagegen durch.

Ganz allgemein gefasst kann man also sagen: Die Spektroskopie ist eine Anzahl unterschiedlicher physikalischer Methoden zur Untersuchung von Stoffen. Die physikalischen Einflüsse, denen man die Materialien aussetzt, können sehr unterschiedlicher Natur sein. Das kann zum Beispiel Schall sein oder es können wechselnde elektrische Spannungen sein oder es können Magnetfelder sein. Der häufigste Fall betrifft aber die Bestrahlung von Materie mit elektromagnetischer Strahlung. Und, weil diese Methode so besonders wichtig ist, möchte ich an dieser Stelle etwas näher darauf eingehen. Elektrische Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen, die vor allem durch folgende beiden Gleichungen charakterisiert werden können: Da ist zunächst die Gleichung E=h×f. E ist die Energie, h ist das Plancksche Wirkungsquantum, eine Naturkonstante und klein f ist die Frequenz. Die Frequenz ihrerseits wird beschrieben durch die Gleichung f=c/lambda. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit und lambda die Wellenlänge. c und h sind wie gesagt Naturkonstanten. E, f und lambda sind charakteristisch für eine bestimmte Wellenart. Man kann diesen Zusammenhang auch grafisch veranschaulichen. Tragen wir eine Achse auf, die von links nach rechts verläuft und die Wellenlänge lambda in Metern darstellen soll. Von links nach rechts nimmt lambda zu. Ungefähr bei 10^-7, 10^-6 Metern ist der Bereich, wo das sichtbare Licht, genannt "VIS" von visible light, angesiedelt ist. Elektromagnetische Strahlung dieser Wellenlänge ist das, was wir sehen können. Ein bisschen hin zu kleineren Wellenlängen findet sich der UV-Bereich, das ultraviolette Licht. Ein klein wenig nach rechts, ausgehend vom sichtbaren Bereich, befindet sich der IR-Bereich, der Infrarotbereich.

Eine kleine Wiederholung noch zum Wesen der elektromagnetischen Strahlung. Links neben dem UV befindet sich die Röntgenstrahlung, rechts vom IR-Bereich befindet sich die Mikrowelle. Ganz links im elektromagnetischen Spektrum befindet sich die Gammastrahlung. Sie tritt etwa beim radioaktiven Zerfall auf oder auch als kosmische Strahlung im Weltall. Und auf der anderen Seite, rechts vom Mikrowellenbereich befindet sich der Radiowellenbereich. Ihr seht also, all diese verschiedenen Strahlungsarten sind im Prinzip ein und dasselbe, nämlich elektromagnetische Strahlung. Sie unterscheiden sich nur in der Wellenlänge. Schauen wir uns noch mal die Gleichungen oben an. Dann sehen wir, dass die Energie bei kleiner Wellenlänge sehr groß ist und bei großer Wellenlänge sehr klein. Mit anderen Worten: Gammastrahlung ist sehr energiereich, Radiowellen sind eher energiearm. Das weiß ja auch jeder, dass die Gammastrahlung, die etwa bei der Radioaktivität freigesetzt wird, sehr gewebeschädigend sein kann, während Radiowellen doch einigermaßen harmlos sind.

Nun aber zurück zur Spektroskopie. Wir haben also eine Probe, die wir mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlen. Häufig wird elektromagnetische Strahlung auch einfach mit dem Kürzel h×f dargestellt. Unsere Probe wechselwirkt mit dieser Strahlung und liefert dann ein charakteristisches Spektrum, das gewisse Informationen für uns enthält. Nun ist es aber so, dass die Art der Informationen, die dieses Spektrum liefert, abhängig ist von der Art der Strahlung, die verwendet wurde. Röntgenstrahlung ist zum Beispiel sehr energiereich, und zwar entspricht die Energie der Röntgenstrahlung ungefähr der Energie, die benötigt wird, um den Zustand der Rumpfelektronen oder auch der inneren Elektronen eines Atoms zu verändern. Deshalb liefern durch Röntgenstrahlung erzeugte Spektren Informationen über den Zustand der Rumpfelektronen. Durch UV oder VIS erzeugte Spektren liefern Informationen über den Zustand der äußeren Elektronen, also der Valenzelektronen eines Atoms. IR-Strahlung gibt Auskunft über den Schwingungszustand eines Moleküls. Also darüber, wie stark die Atome in einer Bindung schwingen. Regt man die Probe mit Mikrowellen an, dann kann man etwas aussagen über den Rotationszustand eines Moleküls. Also darüber, wie es sich drehenderweise im Raum bewegt und das wiederum lässt Rückschlüsse auf die Form des Moleküls  zu. Ihr seht also, je nachdem welche Strahlung verwendet wird, werden unterschiedliche Informationen gewonnen. Aus diesem Grunde hat man die unterschiedlichen Strahlungsarten, die verwendet werden auch unterschiedlichen Spektroskopiemethoden zugeordnet. Als da wären: die Röntgenspektroskopie, die Atomspektroskopie und UV-Spektroskopie, die IR-Spektroskopie und die Mikrowellenspektroskopie. Da es bei jeder dieser Arten außerdem noch verschiedene Möglichkeiten gibt, den Versuch aufzubauen, hat man noch verschiedene Unterarten, die ich jetzt hier aber nicht im Einzelnen aufführe. So kennt man bei der Röntgenspektroskopie verschiedene Methoden, die da Auger-Spektroskopie heißen oder Mößbauer-Spektroskopie und so weiter. Damit eignen sie sich besonders zur Identifizierung von einzelnen Elementen in den Stoffen. Deshalb kann man mit ihrer Hilfe viel über die Art der Bindungen aussagen, die ein Atom eingegangen ist. Mit ihrer Hilfe lasse sich zum Beispiel Aussagen über die Stärke einer Bindung treffen.

Man kann weiterhin die verschiedenen Methoden der elektromagnetisch induzierten Spektroskopie in zwei große Familien einteilen. Ein Mal in die Absorptionsspektroskopie und ein Mal in die Emissionsspektroskopie. Die Absorptionsspektroskopie entspricht genau dem Fall, den wir eben schon Mal besprochen hatten. Wir bestrahlen die Probe mit zum Beispiel weißem Licht und schauen danach, was durchgekommen ist. Das, was hinten fehlt, wurde absorbiert von der Probe. Anders ist das Prinzip der Emissionsspektroskopie. Hier wird Energie in die Probe gesteckt, wobei diese Energie sehr unterschiedlicher Natur sein kann. Es kann zum Beispiel auch elektrische oder thermische Energie sein. Diese Energie bringt unsere Probe dazu, selbst elektromagnetische Strahlung auszustrahlen, die charakteristisch für diese Probe ist. Die Analyse des abgestrahlten Lichtes ergibt dann das charakteristische Emissionsspektrum einer Probe. Das bekannteste Beispiel dieser Methode ist da bestimmt die sogenannte Flammenprobe, die wohl jeder im Laufe seines Chemieunterrichtes in der Schule schon ein Mal durchgeführt hat.

Nun zur Frage: Welchen Nutzen bringen spektroskopische Methoden überhaupt? Nun ja, wir hatten es ja schon ein Mal angedeutet: Es sind Untersuchungsmethoden beziehungsweise Aufklärungsmethoden und da findet sich eine Unzahl von Anwendungen. Zum Beispiel können spektroskopische Methoden zur Identifizierung von Stoffen hergenommen werden. Etwa, wenn ich wissen möchte, welches Gift das Mordopfer getrunken hat. Spektroskopische Methoden werden auch eingesetzt zur Strukturaufklärung. Bei der Frage also, wie ein Molekül genau aufgebaut ist. Reinheitsüberprüfungen sind ein weiteres großes Gebiet des Einsatzes von spektroskopischen Methoden, etwa in der pharmazeutischen Industrie, wo auf Reinheit besonders großer Wert gelegt wird. Ein weiteres Gebiet ist die Messung von Konzentrationen. So geht es beim Einsatz der Kernspintomografie in der Medizin um nichts Anderes als um die Messung des Wassergehaltes, also der Konzentration des Wassers, in einem bestimmten Gewebe. Ein weiteres Einsatzgebiet dieser Methoden wäre zum Beispiel auch die Materialprüfung. Etwa, wenn es um die Frage geht: Hat der Flügel des Flugzeuges schon Risse bekommen oder nicht? Hier spielen zum Beispiel Ultraschallmethoden eine wichtige Rolle und so weiter und so fort. Eigentlich ist eine moderne Welt ohne spektroskopische Methoden gar nicht denkbar und damit wären wir auch schon am Ende des Videos angelangt. Wir haben darin gelernt: 1. was Spektroskopie ist, 2. welche Arten der Spektroskopie es gibt und 3. welchen Nutzen spektroskopische Methoden haben. Danke für das Zuschauen! Tschüss und bis zum nächsten Mal!