Spektroskopie

Spiritusflamme und ihr Spektrogramm ⓘ

Spektroskopie bezeichnet eine Gruppe physikalischer Methoden, die eine Strahlung nach einer bestimmten Eigenschaft wie Wellenlänge, Energie, Masse etc. zerlegen. Die dabei auftretende Intensitätsverteilung wird Spektrum genannt. ⓘ

Spektrometrie ist die quantitative Ausmessung von Spektren mittels eines Spektrometers. Die Aufzeichnungsmethode heißt Spektrografie und die Aufzeichnung (grafische Darstellung) selbst Spektrogramm, wird im Fachjargon aber oft einfach als „das Spektrum“ bezeichnet. Zur visuellen Betrachtung optischer Spektren dienen Spektroskope, wie erstmals bei Isaac Newton, als er im 17. Jahrhundert die Zusammensetzung des weißen Lichts aus Spektralfarben entdeckte. Als Begründer der mordernen Spektroskopie gelten der Chemiker Robert Wilhelm Bunsen und der Physiker Gustav Robert Kirchhoff, die 1861 die beiden chemischen Elemente Cäsium und Rubidium in Mineralwässern mit Hilfe einer Spektralanalyse entdeckten. ⓘ

Die untersuchten Strahlungen umfassen den gesamten Bereich der elektromagnetischen Wellen und der mechanischen Wellen wie Schall und Wasserwellen, sowie Teilchenstrahlen z. B. aus Elektronen, Ionen, Atomen oder Molekülen. Die Spektroskopie wird eingesetzt, um die Eigenschaften der Strahlung selbst zu studieren, die Eigenschaften der Strahlenquelle herauszufinden (Emissionsspektroskopie) oder die Eigenschaften eines zwischen der Quelle und dem Spektrometer befindlichen Transportmediums zu untersuchen (Absorptionsspektroskopie). Insbesondere kann Spektrometrie genutzt werden, um Art und Konzentration von emittierenden oder absorbierenden Substanzen zu bestimmen. ⓘ

Zeigt ein Spektrum scharfe und voneinander getrennte Intensitätsmaxima, wird es allgemein als Linienspektrum bezeichnet, andernfalls als kontinuierliches Spektrum. Oft sind Spektren aus diesen beiden Grundtypen gemischt. Der Name Linienspektrum erklärt sich daraus, dass die ersten optischen Spektralapparate das Licht aus einem beleuchteten schmalen Spalt empfingen, der abhängig von der Wellenlänge an einen bestimmten Ort auf dem Schirm abgebildet wurde, so dass sich für jedes Intensitätsmaximum eine helle Linie bildete (siehe Abbildung). ⓘ

Beispielsweise ist das Energie- oder Wellenlängenspektrum der Wärmestrahlung vom kontinuierlichen Typ mit einem breiten Maximum, an dessen Lage man auch die Temperatur des strahlenden Körpers ablesen kann. Hingegen zeigt das von Atomen ausgesandte oder absorbierte Licht ein Linienspektrum, an dem man die chemischen Elemente, zu denen die Atome gehören, eindeutig identifizieren kann (Spektralanalyse nach Kirchhoff und Bunsen, 1859). Auch das Massenspektrum eines Stoffes bei Untersuchung mit einem Massenspektrometer ist ein Linienspektrum, das die Massen der im Stoff vorhandenen Moleküle oder gegebenenfalls ihrer Bruchstücke anzeigt. Die beiden Arten von Linienspektren zeigen hohe Empfindlichkeit und werden daher bei chemischen Analysen routinemäßig zum Nachweis von Beimengungen fremder Stoffe in geringster Konzentration eingesetzt. ⓘ

Die Spektrografie wird in verschiedensten Formen beispielsweise in der Medizin, in der kriminalistischen Chemie, der forensischen Toxikologie und der forensischen Biologie eingesetzt. Spektroskopische Beobachtungen der Linienspektren der Atome und Moleküle gaben entscheidende Impulse für die Entwicklung der Atomphysik und Quantenmechanik. Die hohe Präzision, mit der viele ihrer Spektrallinien gemessen werden können, erlaubt u. a. die genaue Überprüfung von Naturgesetzen, die Bestimmung von Naturkonstanten und die Definition der Basiseinheiten Meter und Sekunde. ⓘ

Ein Beispiel für die Spektroskopie: Ein Prisma analysiert weißes Licht, indem es es in seine einzelnen Farben zerlegt. ⓘ

Die Spektroskopie ist das allgemeine Studiengebiet, das die elektromagnetischen Spektren misst und interpretiert, die sich aus der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie in Abhängigkeit von der Wellenlänge oder Frequenz der Strahlung ergeben. Materiewellen und akustische Wellen können ebenfalls als Formen von Strahlungsenergie betrachtet werden, und kürzlich wurden Gravitationswellen im Zusammenhang mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) mit einer spektralen Signatur in Verbindung gebracht. ⓘ

Vereinfacht ausgedrückt, ist die Spektroskopie die genaue Untersuchung der Farbe, die vom sichtbaren Licht auf alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgedehnt wird. Historisch gesehen hat die Spektroskopie ihren Ursprung in der Untersuchung der Wellenlängenabhängigkeit der Absorption von sichtbarem Licht, das durch ein Prisma gestreut wird, durch Materie in der Gasphase. ⓘ

Die Spektroskopie, vor allem im elektromagnetischen Spektrum, ist ein grundlegendes Forschungsinstrument in den Bereichen Astronomie, Chemie, Materialwissenschaft und Physik, mit dem die Zusammensetzung, die physikalische Struktur und die elektronische Struktur der Materie auf atomarer, molekularer und Makroebene sowie über astronomische Entfernungen hinweg untersucht werden können. Wichtige Anwendungen sind die biomedizinische Spektroskopie in den Bereichen der Gewebeanalyse und der medizinischen Bildgebung. ⓘ

Einführung

Die Spektroskopie ist ein Zweig der Wissenschaft, der sich mit den Spektren elektromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge oder Frequenz befasst, die mit spektrografischen Geräten und anderen Techniken gemessen werden, um Informationen über die Struktur und die Eigenschaften von Materie zu erhalten. Spektralmessgeräte werden als Spektrometer, Spektrophotometer, Spektrographen oder Spektralanalysatoren bezeichnet. Die meisten spektroskopischen Analysen im Labor beginnen mit einer zu untersuchenden Probe, dann wird eine Lichtquelle aus einem beliebigen Bereich des Lichtspektrums ausgewählt, das Licht geht durch die Probe zu einem Dispersionsarray (Beugungsgitterinstrument) und wird von einer Fotodiode aufgefangen. Für astronomische Zwecke muss das Teleskop mit der Lichtdispersionsvorrichtung ausgestattet sein. Es gibt verschiedene Versionen dieses Grundaufbaus, die verwendet werden können. ⓘ

Die Spektroskopie als Wissenschaft begann mit Isaac Newton, der das Licht mit einem Prisma teilte, und wurde Optik genannt. Ursprünglich ging es also um die Untersuchung des sichtbaren Lichts, das wir als Farbe bezeichnen, und später, unter der Leitung von James Clerk Maxwell, um das gesamte elektromagnetische Spektrum. Obwohl die Spektroskopie mit Farbe zu tun hat, wird sie nicht mit der Farbe von Elementen oder Gegenständen gleichgesetzt, bei denen die Absorption und Reflexion bestimmter elektromagnetischer Wellen dazu führt, dass die Gegenstände für unsere Augen farbig erscheinen. Vielmehr beinhaltet die Spektroskopie die Aufspaltung des Lichts durch ein Prisma, ein Beugungsgitter oder ein ähnliches Instrument, um ein bestimmtes diskretes Linienmuster zu erzeugen, das als "Spektrum" bezeichnet wird und für jede Art von Element einzigartig ist. Die meisten Elemente werden zunächst in eine Gasphase versetzt, damit die Spektren untersucht werden können, obwohl heutzutage auch andere Methoden für verschiedene Phasen verwendet werden können. Jedes Element, das von einem prismenartigen Instrument gebeugt wird, zeigt entweder ein Absorptionsspektrum oder ein Emissionsspektrum, je nachdem, ob das Element gekühlt oder erhitzt wird. ⓘ

Bis vor kurzem bestand die gesamte Spektroskopie aus der Untersuchung von Linienspektren, und die meisten Spektroskopien tun dies auch heute noch. Die Schwingungsspektroskopie ist der Zweig der Spektroskopie, der die Spektren untersucht. Mit den neuesten Entwicklungen in der Spektroskopie kann jedoch manchmal auf die Dispersionstechnik verzichtet werden. In der biochemischen Spektroskopie können mit Hilfe von Absorptions- und Lichtstreuungstechniken Informationen über biologisches Gewebe gewonnen werden. Die Lichtstreuspektroskopie ist eine Form der Reflexionsspektroskopie, die Gewebestrukturen durch Untersuchung der elastischen Streuung bestimmt. In diesem Fall ist es das Gewebe, das als Beugungs- oder Dispersionsmechanismus dient. ⓘ

Spektroskopische Untersuchungen waren für die Entwicklung der Quantenmechanik von zentraler Bedeutung, da die ersten brauchbaren Atommodelle die Spektren von Wasserstoff beschrieben. Zu diesen Modellen gehören das Bohr-Modell, die Schrödinger-Gleichung und die Matrixmechanik, die alle die Spektrallinien von Wasserstoff erzeugen können und somit die Grundlage für diskrete Quantensprünge bilden, die dem diskreten Wasserstoffspektrum entsprechen. Auch Max Plancks Erklärung der Schwarzkörperstrahlung beinhaltete die Spektroskopie, da er die Wellenlänge des Lichts mit einem Photometer mit der Temperatur eines Schwarzen Körpers verglich. Die Spektroskopie wird in der physikalischen und analytischen Chemie eingesetzt, weil Atome und Moleküle einzigartige Spektren haben. Mit Hilfe dieser Spektren lassen sich Informationen über die Atome und Moleküle erkennen, identifizieren und quantifizieren. Die Spektroskopie wird auch in der Astronomie und der Fernerkundung auf der Erde eingesetzt. Die meisten Forschungsteleskope sind mit Spektrographen ausgestattet. Die gemessenen Spektren werden verwendet, um die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften astronomischer Objekte zu bestimmen (z. B. ihre Temperatur, die Dichte der Elemente in einem Stern, die Geschwindigkeit, schwarze Löcher und mehr). Ein wichtiges Einsatzgebiet der Spektroskopie ist die Biochemie. Molekulare Proben können zur Identifizierung von Spezies und Energiegehalt analysiert werden. ⓘ

Theorie

Die zentrale Theorie der Spektroskopie besagt, dass sich Licht aus verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt und dass jede Wellenlänge einer anderen Frequenz entspricht. Die Bedeutung der Spektroskopie beruht auf der Tatsache, dass jedes Element im Periodensystem ein einzigartiges Lichtspektrum hat, das durch die Lichtfrequenzen beschrieben wird, die es aussendet oder absorbiert und die bei der Beugung des Lichts immer im gleichen Teil des elektromagnetischen Spektrums auftreten. Dies eröffnete ein ganzes Forschungsfeld für alles, was Atome enthält, also für alle Materie. Die Spektroskopie ist der Schlüssel zum Verständnis der atomaren Eigenschaften der gesamten Materie. So eröffnete die Spektroskopie viele neue, bisher unentdeckte Teilbereiche der Wissenschaft. Die Idee, dass jedes atomare Element eine einzigartige spektrale Signatur hat, ermöglichte den Einsatz der Spektroskopie in einer Vielzahl von Bereichen, die jeweils ein bestimmtes Ziel verfolgen, das durch unterschiedliche spektroskopische Verfahren erreicht wird. Diese einzigartigen Spektrallinien für jedes Element sind für so viele Wissenschaftszweige von Bedeutung, dass die Regierung eine öffentliche Atomspektren-Datenbank unterhält, die auf der NIST-Website ständig mit genaueren Messungen aktualisiert wird. ⓘ

Die Ausweitung des Bereichs der Spektroskopie ist darauf zurückzuführen, dass jeder Teil des elektromagnetischen Spektrums zur Analyse einer Probe verwendet werden kann, vom Infrarot bis zum Ultraviolett, was den Wissenschaftlern unterschiedliche Eigenschaften ein und derselben Probe verrät. In der chemischen Analyse beispielsweise sind die gebräuchlichsten Arten der Spektroskopie die Atomspektroskopie, die Infrarotspektroskopie, die ultraviolette und sichtbare Spektroskopie, die Raman-Spektroskopie und die Kernspinresonanz. Bei der kernmagnetischen Resonanz geht man von der Theorie aus, dass die Frequenz analog zur Resonanz und der entsprechenden Resonanzfrequenz ist. Resonanzen durch die Frequenz wurden zuerst in mechanischen Systemen wie Pendeln charakterisiert, die eine von Galilei berühmt gemachte Bewegungsfrequenz haben. ⓘ

Klassifizierung der Methoden

Ein riesiges Beugungsgitter im Herzen des ultrapräzisen ESPRESSO-Spektrographen. ⓘ

Die Spektroskopie ist ein so weites Feld, dass es viele Unterdisziplinen gibt, die jeweils zahlreiche Anwendungen spezifischer spektroskopischer Techniken umfassen. Die verschiedenen Umsetzungen und Techniken können auf verschiedene Weise klassifiziert werden. ⓘ

Art der Strahlungsenergie

Die Arten der Spektroskopie unterscheiden sich nach der Art der Strahlungsenergie, die an der Wechselwirkung beteiligt ist. Bei vielen Anwendungen wird das Spektrum durch die Messung von Änderungen der Intensität oder Frequenz dieser Energie bestimmt. Zu den untersuchten Arten von Strahlungsenergie gehören:

• Elektromagnetische Strahlung war die erste Energiequelle, die für spektroskopische Untersuchungen genutzt wurde. Techniken, die elektromagnetische Strahlung verwenden, werden in der Regel nach dem Wellenlängenbereich des Spektrums klassifiziert und umfassen Mikrowellen-, Terahertz-, Infrarot-, Nahinfrarot-, ultraviolett-sichtbare, Röntgen- und Gammaspektroskopie.
• Teilchen können aufgrund ihrer de Broglie-Wellen auch eine Quelle für Strahlungsenergie sein. Sowohl die Elektronen- als auch die Neutronenspektroskopie werden häufig eingesetzt. Bei einem Teilchen bestimmt seine kinetische Energie seine Wellenlänge.
• Bei der akustischen Spektroskopie werden Druckwellen abgestrahlt.
• Die dynamisch-mechanische Analyse kann eingesetzt werden, um feste Materialien mit Strahlungsenergie zu beaufschlagen, ähnlich wie bei akustischen Wellen. ⓘ

Art der Wechselwirkung

Die Arten der Spektroskopie lassen sich auch nach der Art der Wechselwirkung zwischen der Energie und dem Material unterscheiden. Zu diesen Wechselwirkungen gehören:

• Absorptionsspektroskopie: Absorption liegt vor, wenn Energie aus der Strahlungsquelle vom Material absorbiert wird. Die Absorption wird häufig durch Messung des Anteils der durch das Material übertragenen Energie bestimmt, wobei die Absorption den übertragenen Anteil verringert.
• Emissionsspektroskopie: Die Emission zeigt an, dass das Material Strahlungsenergie abgibt. Das Schwarzkörperspektrum eines Materials ist ein spontanes Emissionsspektrum, das durch seine Temperatur bestimmt wird. Diese Eigenschaft kann im Infraroten mit Instrumenten wie dem Interferometer für die atmosphärische Strahlungsemission gemessen werden. Die Emission kann auch durch andere Energiequellen wie Flammen, Funken, elektrische Lichtbögen oder elektromagnetische Strahlung im Falle der Fluoreszenz ausgelöst werden.
• Elastische Streuung und Reflexionsspektroskopie bestimmen, wie einfallende Strahlung von einem Material reflektiert oder gestreut wird. Die Kristallographie nutzt die Streuung hochenergetischer Strahlung, wie Röntgenstrahlen und Elektronen, um die Anordnung der Atome in Proteinen und festen Kristallen zu untersuchen.
• Impedanzspektroskopie: Die Impedanz ist die Fähigkeit eines Mediums, die Übertragung von Energie zu behindern oder zu verlangsamen. Bei optischen Anwendungen wird dies durch den Brechungsindex charakterisiert.
• Bei inelastischen Streuphänomenen findet ein Energieaustausch zwischen der Strahlung und der Materie statt, der die Wellenlänge der gestreuten Strahlung verschiebt. Dazu gehören Raman- und Compton-Streuung.
• Kohärente oder Resonanzspektroskopie sind Techniken, bei denen die Strahlungsenergie zwei Quantenzustände des Materials in einer kohärenten Wechselwirkung verbindet, die durch das Strahlungsfeld aufrechterhalten wird. Die Kohärenz kann durch andere Wechselwirkungen, wie Teilchenkollisionen und Energietransfer, gestört werden und erfordert daher oft eine hohe Strahlungsintensität zur Aufrechterhaltung. Die kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) ist eine weit verbreitete Resonanzmethode, und die ultraschnelle Laserspektroskopie ist auch im infraroten und sichtbaren Spektralbereich möglich.
• Bei der Kernspektroskopie handelt es sich um Methoden, die die Eigenschaften bestimmter Kerne nutzen, um die lokale Struktur von Materie zu untersuchen, vor allem von kondensierter Materie, Molekülen in Flüssigkeiten oder gefrorenen Flüssigkeiten und Biomolekülen. ⓘ

Art des Materials

Spektroskopische Untersuchungen sind so angelegt, dass die Strahlungsenergie mit bestimmten Arten von Materie in Wechselwirkung tritt. ⓘ

Atome

Die Atomspektroskopie war die erste Anwendung der Spektroskopie, die entwickelt wurde. Die Atomabsorptionsspektroskopie und die Atomemissionsspektroskopie arbeiten mit sichtbarem und ultraviolettem Licht. Diese Absorptions- und Emissionsspektren, die oft als Atomspektrallinien bezeichnet werden, sind auf elektronische Übergänge der Elektronen der äußeren Schale zurückzuführen, wenn sie von einer Elektronenbahn in eine andere aufsteigen und fallen. Atome haben auch unterschiedliche Röntgenspektren, die auf die Anregung von Elektronen der inneren Schale in angeregte Zustände zurückzuführen sind. ⓘ

Da die Atome verschiedener Elemente unterschiedliche Spektren aufweisen, ermöglicht die Atomspektroskopie die Identifizierung und Quantifizierung der elementaren Zusammensetzung einer Probe. Nach der Erfindung des Spektroskops entdeckten Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff neue Elemente durch Beobachtung ihrer Emissionsspektren. Atomare Absorptionslinien werden im Sonnenspektrum beobachtet und nach ihren Entdeckern als Fraunhofer-Linien bezeichnet. Eine umfassende Erklärung des Wasserstoffspektrums war ein früher Erfolg der Quantenmechanik und erklärte die im Wasserstoffspektrum beobachtete Lamb-Verschiebung, die wiederum zur Entwicklung der Quantenelektrodynamik führte. ⓘ

Zu den modernen Anwendungen der Atomspektroskopie zur Untersuchung sichtbarer und ultravioletter Übergänge gehören die Flammenemissionsspektroskopie, die Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma, die Glimmentladungsspektroskopie, die mikrowelleninduzierte Plasmaspektroskopie und die Funken- oder Bogenemissionsspektroskopie. Zu den Techniken zur Untersuchung von Röntgenspektren gehören Röntgenspektroskopie und Röntgenfluoreszenz. ⓘ

Moleküle

Die Kombination von Atomen zu Molekülen führt zur Entstehung einzigartiger Arten von Energiezuständen und daher zu einzigartigen Spektren der Übergänge zwischen diesen Zuständen. Molekülspektren können aufgrund von Elektronenspin-Zuständen (paramagnetische Elektronenresonanz), Molekülrotationen, Molekülschwingungen und elektronischen Zuständen erhalten werden. Rotationen sind kollektive Bewegungen der Atomkerne und führen typischerweise zu Spektren im Mikrowellen- und Millimeterwellen-Spektralbereich. Rotationsspektroskopie und Mikrowellenspektroskopie sind synonym. Schwingungen sind relative Bewegungen der Atomkerne und werden sowohl mit Infrarot- als auch mit Raman-Spektroskopie untersucht. Elektronische Anregungen werden mit Hilfe der sichtbaren und ultravioletten Spektroskopie sowie der Fluoreszenzspektroskopie untersucht. ⓘ

Studien zur Molekularspektroskopie führten zur Entwicklung des ersten Masers und trugen zur späteren Entwicklung des Lasers bei. ⓘ

Kristalle und erweiterte Materialien

Die Kombination von Atomen oder Molekülen zu Kristallen oder anderen ausgedehnten Formen führt zur Entstehung zusätzlicher energetischer Zustände. Diese Zustände sind zahlreich und weisen daher eine hohe Zustandsdichte auf. Diese hohe Dichte macht die Spektren oft schwächer und weniger ausgeprägt, d. h. breiter. So ist beispielsweise die Schwarzkörperstrahlung auf die thermischen Bewegungen von Atomen und Molekülen in einem Material zurückzuführen. Akustische und mechanische Reaktionen sind ebenfalls auf kollektive Bewegungen zurückzuführen. Reine Kristalle können jedoch unterschiedliche spektrale Übergänge aufweisen, und auch die Anordnung der Kristalle hat einen Einfluss auf die beobachteten Molekülspektren. Die regelmäßige Gitterstruktur von Kristallen streut auch Röntgenstrahlen, Elektronen oder Neutronen, was kristallografische Untersuchungen ermöglicht. ⓘ

Kerne

Auch Kerne haben unterschiedliche Energiezustände, die weit voneinander entfernt sind und zu Gammastrahlenspektren führen. Die Energie verschiedener Kernspinzustände kann durch ein Magnetfeld getrennt werden, was die kernmagnetische Resonanzspektroskopie ermöglicht. ⓘ

Andere Arten

Andere Arten der Spektroskopie zeichnen sich durch spezifische Anwendungen oder Umsetzungen aus:

• Die akustische Resonanzspektroskopie basiert auf Schallwellen vor allem im hörbaren und im Ultraschallbereich.
• Die Auger-Elektronen-Spektroskopie ist eine Methode zur Untersuchung von Materialoberflächen im Mikrobereich. Sie wird häufig in Verbindung mit der Elektronenmikroskopie eingesetzt.
• Hohlraum-Ring-Down-Spektroskopie
• Zirkulardichroismus-Spektroskopie
• Die kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie ist eine neuere Technik mit hoher Empfindlichkeit und leistungsstarken Anwendungen für die Spektroskopie und Bildgebung in vivo.
• Kaltdampf-Atomfluoreszenzspektroskopie
• Die Korrelationsspektroskopie umfasst mehrere Arten der zweidimensionalen NMR-Spektroskopie.
• Die Deep-Level-Transient-Spektroskopie misst die Konzentration und analysiert die Parameter von elektrisch aktiven Defekten in Halbleitermaterialien.
• Dielektrische Spektroskopie
• Die Dualpolarisationsinterferometrie misst die realen und imaginären Komponenten des komplexen Brechungsindexes.
• Elektronenenergieverlustspektroskopie in der Transmissionselektronenmikroskopie.
• Die phänomenologische Elektronenspektroskopie misst die physikalisch-chemischen Eigenschaften und Merkmale der elektronischen Struktur von mehrkomponentigen und komplexen molekularen Systemen.
• Spektroskopie der paramagnetischen Elektronenresonanz
• Kraftspektroskopie
• Die Fourier-Transform-Spektroskopie ist eine effiziente Methode zur Verarbeitung von Spektraldaten, die mit Interferometern gewonnen wurden. Die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie ist eine gängige Anwendung der Infrarotspektroskopie. Auch bei der NMR werden Fourier-Transformationen verwendet.
• Gammaspektroskopie
• Die Hadronenspektroskopie untersucht das Energie-/Massenspektrum von Hadronen in Abhängigkeit von Spin, Parität und anderen Teilcheneigenschaften. Baryonenspektroskopie und Mesonenspektroskopie sind Arten der Hadronenspektroskopie.
• Hyperspektrale Bildgebung ist eine Methode zur Erstellung eines vollständigen Bildes der Umgebung oder verschiedener Objekte, wobei jedes Pixel ein vollständiges sichtbares, sichtbares Nahinfrarot-, Nahinfrarot- oder Infrarotspektrum enthält.
• Die inelastische Elektronentunnelspektroskopie nutzt die Stromänderungen aufgrund der inelastischen Elektronen-Schwingungs-Wechselwirkung bei bestimmten Energien, mit der auch optisch verbotene Übergänge gemessen werden können.
• Die inelastische Neutronenstreuung ähnelt der Raman-Spektroskopie, verwendet aber Neutronen anstelle von Photonen.
• Laser-induzierte Zerfallsspektroskopie, auch Laser-induzierte Plasmaspektrometrie genannt
• Bei der Laserspektroskopie werden abstimmbare Laser und andere Arten von kohärenten Emissionsquellen, wie z. B. optische parametrische Oszillatoren, zur selektiven Anregung von atomaren oder molekularen Spezies verwendet.
• Massenspektroskopie ist ein historischer Begriff, der sich auf die Massenspektrometrie bezieht. Derzeit wird empfohlen, den letzteren Begriff zu verwenden. Der Begriff "Massenspektroskopie" hat seinen Ursprung in der Verwendung von Phosphorschirmen zum Nachweis von Ionen.
• Die Mössbauer-Spektroskopie untersucht die Eigenschaften bestimmter Isotopenkerne in verschiedenen atomaren Umgebungen durch Analyse der Resonanzabsorption von Gammastrahlen. Siehe auch Mössbauer-Effekt.
• Multivariates optisches Rechnen ist eine rein optische, komprimierte Sensortechnik, die im Allgemeinen in rauen Umgebungen eingesetzt wird und chemische Informationen direkt aus einem Spektrum als Analogausgang berechnet.
• Die Neutronen-Spin-Echo-Spektroskopie misst die interne Dynamik in Proteinen und anderen Systemen aus weicher Materie.
• Die gestörte Winkelkorrelation (PAC) verwendet radioaktive Kerne als Sonde zur Untersuchung elektrischer und magnetischer Felder (Hyperfein-Wechselwirkungen) in Kristallen (kondensierte Materie) und Biomolekülen.
• Die photoakustische Spektroskopie misst die Schallwellen, die bei der Absorption von Strahlung entstehen.
• Photoemissionsspektroskopie
• Die photothermische Spektroskopie misst die bei der Absorption von Strahlung entstehende Wärme.
• Die Pump-Probe-Spektroskopie kann ultraschnelle Laserpulse verwenden, um Reaktionszwischenprodukte im Femtosekundenbereich zu messen.
• Die optische Raman-Aktivitätsspektroskopie nutzt die Raman-Streuung und optische Aktivitätseffekte, um detaillierte Informationen über chirale Zentren in Molekülen zu erhalten.
• Raman-Spektroskopie
• Gesättigte Spektroskopie
• Scanning-Tunnel-Spektroskopie
• Spektrophotometrie
• Spinrausch-Spektroskopie spürt spontane Fluktuationen elektronischer und nuklearer Spins auf.
• Die zeitaufgelöste Spektroskopie misst die Zerfallsraten angeregter Zustände mit verschiedenen spektroskopischen Methoden.
• Zeitdehnungsspektroskopie
• Die thermische Infrarotspektroskopie misst die von Materialien und Oberflächen emittierte Wärmestrahlung und wird zur Bestimmung der Art der in einer Probe vorhandenen Bindungen sowie ihrer Gitterumgebung verwendet. Diese Techniken werden häufig von organischen Chemikern, Mineralogen und Planetenforschern eingesetzt.
• Die transiente Gitterspektroskopie misst die Ausbreitung von Quasiteilchen. Sie kann Veränderungen in metallischen Werkstoffen verfolgen, wenn diese bestrahlt werden.
• Ultraviolette Photoelektronenspektroskopie
• Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie
• Zirkulardichroismus-Spektroskopie (Schwingungen)
• Video-Spektroskopie
• Röntgen-Photoelektronenspektroskopie ⓘ

Anwendungen

UVES ist ein hochauflösender Spektrograph am Very Large Telescope. ⓘ

Es gibt zahlreiche Anwendungen der Spektroskopie in den Bereichen Medizin, Physik, Chemie und Astronomie. Unter Ausnutzung der Absorptionseigenschaften und der Emission in der Astronomie kann die Spektroskopie eingesetzt werden, um bestimmte Zustände der Natur zu erkennen. Die Verwendung der Spektroskopie in so vielen verschiedenen Bereichen und für so viele verschiedene Anwendungen hat zu speziellen wissenschaftlichen Unterbereichen geführt. Solche Beispiele sind:

• Bestimmung der atomaren Struktur einer Probe
• Untersuchung der spektralen Emissionslinien der Sonne und entfernter Galaxien
• Erforschung des Weltraums
• Überwachung der Aushärtung von Verbundwerkstoffen mit Hilfe optischer Fasern.
• Abschätzung der Bewitterungsdauer von Holz mit Hilfe der Nahinfrarotspektroskopie.
• Messung verschiedener Verbindungen in Lebensmittelproben durch Absorptionsspektroskopie sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Spektrum.
• Messung von toxischen Verbindungen in Blutproben
• Zerstörungsfreie Elementaranalyse durch Röntgenfluoreszenz.
• Untersuchung der elektronischen Struktur mit verschiedenen Spektroskopen.
• Rotverschiebung zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines entfernten Objekts
• Bestimmung der metabolischen Struktur eines Muskels
• Überwachung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff in Süßwasser- und Meeresökosystemen
• Veränderung der Struktur von Medikamenten zur Verbesserung ihrer Wirksamkeit
• Charakterisierung von Proteinen
• Atemgasanalyse in Krankenhäusern
• Bestimmung der physikalischen Eigenschaften eines fernen Sterns oder eines nahen Exoplaneten mithilfe des relativistischen Dopplereffekts.
• Geschlechtsbestimmung: Die Spektroskopie ermöglicht die Bestimmung des Geschlechts des Eies während des Schlüpfens. Entwickelt von französischen und deutschen Unternehmen, haben beide Länder beschlossen, das Töten von Küken, das meist mit Hilfe einer Zerkleinerungsmaschine erfolgt, im Jahr 2022 zu verbieten. ⓘ

Geschichte

Die Geschichte der Spektroskopie begann mit den optischen Experimenten von Isaac Newton (1666-1672). Laut Andrew Fraknoi und David Morrison "beschrieb Isaac Newton 1672 in seiner ersten Arbeit, die er der Royal Society vorlegte, ein Experiment, bei dem er Sonnenlicht durch ein kleines Loch und dann durch ein Prisma fallen ließ. Newton fand heraus, dass das Sonnenlicht, das uns weiß erscheint, in Wirklichkeit aus einer Mischung aller Farben des Regenbogens besteht." Newton verwendete das Wort "Spektrum", um den Regenbogen der Farben zu beschreiben, die sich zu weißem Licht verbinden und die sichtbar werden, wenn das weiße Licht durch ein Prisma fällt. ⓘ

Fraknoi und Morrison stellen fest: "1802 baute William Hyde Wollaston ein verbessertes Spektrometer, das eine Linse enthielt, mit der das Spektrum der Sonne auf einen Bildschirm fokussiert werden konnte. Bei der Verwendung stellte Wollaston fest, dass die Farben nicht gleichmäßig verteilt waren, sondern dass stattdessen Farbflecken fehlten, die als dunkle Streifen im Spektrum erschienen." In den frühen 1800er Jahren machte Joseph von Fraunhofer experimentelle Fortschritte mit dispersiven Spektrometern, die es der Spektroskopie ermöglichten, eine präzisere und quantitativere wissenschaftliche Technik zu werden. Seitdem spielt die Spektroskopie in der Chemie, Physik und Astronomie eine wichtige Rolle und wird es auch weiterhin tun. Fraknoi und Morrison: "Später, im Jahr 1815, untersuchte der deutsche Physiker Joseph Fraunhofer ebenfalls das Sonnenspektrum und fand etwa 600 solcher dunklen Linien (fehlende Farben), die heute als Fraunhofer-Linien oder Absorptionslinien bekannt sind." ⓘ

In quantenmechanischen Systemen ist die analoge Resonanz eine Kopplung zweier quantenmechanischer stationärer Zustände eines Systems, z. B. eines Atoms, über eine oszillierende Energiequelle wie ein Photon. Die Kopplung der beiden Zustände ist am stärksten, wenn die Energie der Quelle dem Energieunterschied zwischen den beiden Zuständen entspricht. Die Energie E eines Photons ist mit seiner Frequenz ν durch E = hν verknüpft, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist, so dass ein Spektrum der Systemreaktion in Abhängigkeit von der Photonenfrequenz bei der Resonanzfrequenz oder -energie seinen Höhepunkt erreicht. Teilchen wie Elektronen und Neutronen haben eine vergleichbare Beziehung, die de Broglie-Beziehung, zwischen ihrer kinetischen Energie und ihrer Wellenlänge und Frequenz und können daher ebenfalls resonante Wechselwirkungen anregen. ⓘ

Die Spektren von Atomen und Molekülen bestehen oft aus einer Reihe von Spektrallinien, von denen jede eine Resonanz zwischen zwei verschiedenen Quantenzuständen darstellt. Die Erklärung dieser Reihen und der mit ihnen verbundenen Spektralmuster war eines der experimentellen Rätsel, die die Entwicklung und Akzeptanz der Quantenmechanik vorantrieben. Insbesondere die Wasserstoff-Spektralserie wurde erstmals erfolgreich durch das Rutherford-Bohr-Quantenmodell des Wasserstoffatoms erklärt. In einigen Fällen sind die Spektrallinien gut voneinander getrennt und unterscheidbar, doch können sich die Spektrallinien auch überlappen und als ein einziger Übergang erscheinen, wenn die Dichte der Energiezustände hoch genug ist. Zu den benannten Linienreihen gehören die Hauptreihe, die scharfe Reihe, die diffuse Reihe und die Grundreihe. ⓘ

Spektroskopie elektromagnetischer Strahlung

Physikalische Grundlagen

Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe, aufgenommen mit einem 256-Pixel-Zeilensensor bzw. mit einer Kamera ⓘ

Ein Spektrum im Sinne dieses Artikels ist die Verteilung einer spektralen Leistungsdichte über einer Energieskala (Frequenz, Wellenzahl) oder einer reziproken Energieskala. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz $\nu \,$ einer elektromagnetischen Welle und der Energie $E\,$ der Lichtquanten ist dabei gegeben durch

$E=h\cdot \nu \,$

mit der Planck-Konstanten $h\,$. ⓘ

Grundlage zum Verständnis von Spektren ist der Übergang eines Systems zwischen verschiedenen Energieniveaus unter Emission oder Absorption von Photonen oder anderen Teilchen. Mit diesem kann man Absorption und Emission von Photonen durch Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus eines Atoms beschreiben. Die absorbierte bzw. emittierte Energie $\Delta E\,$ ist dabei durch das anfängliche Energieniveau $E_{n}\,$ und dem End-Energieniveau $E_{m}\,$ festgelegt. In der Quantenmechanik hat jeder Zustand ein Energieniveau. ⓘ

Dabei gilt:

$\Delta E=E_{n}-E_{m}=h\cdot \nu \,$ ⓘ

Ist $E_{n}>E_{m}\,$, die Differenz also positiv, so handelt es sich in diesem Beispiel um Emission, bei negativen Vorzeichen, also $E_{n}<E_{m}\,$ dann um Absorption. ⓘ

Strukturen im Spektrum geben Hinweise darauf, welche Energiebeträge eine Substanz aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren) kann. Diese Beträge entsprechen Energiedifferenzen quantenmechanischer Zustände der Probe. Das Spektrum eines Stoffes hängt insbesondere ab von dessen Konzentrationen, von Auswahlregeln und Besetzungszahlen. ⓘ

Klassische Spektroskopie

Die Untersuchung der Lichtemission bzw. -absorption von Molekülen und Atomen mit Hilfe von Gitter- und Prismenspektrometern sind die ältesten spektroskopischen Verfahren. Sie werden daher auch als klassische Spektroskopie bezeichnet. Viele der grundlegenden Untersuchungen über den Aufbau des Atoms wurden erst durch die Entwicklung und Anwendung hochauflösender Gitter- und Prismenspektrometer möglich. ⓘ

Spektroskopiearten

Die Einteilung der zahlreichen spektroskopischen Methoden und Verfahren ist vielfältig und in der Literatur nicht immer einheitlich. Allgemein unterscheidet man zunächst zwischen Methoden der Atom- und der Molekülspektroskopie. Die Atomspektroskopie umfasst spektroskopische Verfahren, die auf Emissions-, Absorptions- oder Fluoreszenzvorgängen bei Atomen zurückgehen und zur Bestimmung von chemischen Elementen eingesetzt werden. Die beobachteten Spektren sind im Allgemeinen Linienspektren. Die molekülspektroskopischen Verfahren basieren hingegen auf der Anregung und Auswertung von Rotations-, Schwingungs- und Elektronenzuständen in Molekülen. Durch die Überlagerung von Einzelzuständen werden dabei keine Linienspektren, sondern sogenannte Bandenspektren beobachtet. ⓘ

Neben dieser grundlegenden Einteilung, nach der Art der untersuchten Zuständen, gibt es zahlreiche andere Unterteilungen, beispielsweise nach der Anregungsenergie der elektrischen Strahlung (z. B. Mikrowellenspektroskopie, Röntgenspektroskopie), des Aggregatzustandes (z. B. Festkörperspektroskopie) oder der Art der Anregung (z. B. Elektronenspektroskopie, Laserspektroskopie). ⓘ

Spektroskopiearten nach typischen Bereichen der Wellenlänge und hauptsächlich untersuchten Eigenschaften ⓘ

EM-Strahlung	Wellenlänge	Frequenzbereich	Wellenzahl	Energiebereich	untersuchte Eigenschaft	Spektroskopische Methode
Radiowellen	100 m…1 m	3·106…300·106 Hz	10−4…0,01 cm−1	10−6…10−4 kJ/mol	Änderung des Kernspinzustandes	Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
Mikrowellen	1 m…1 cm	300·106…30·109 Hz	0,01…1 cm−1	10−4…0,01 kJ/mol	Änderung des Elektronenspinzustandes oder Hyperfeinzustandes	Elektronenspinresonanz (ESR/EPR), Ramsey-Spektroskopie (Atomuhren)
Mikrowellen	10 cm…1 mm	30·108…3·1011 Hz	0.1…10 cm−1	0,001…0,1 kJ/mol	Änderung des Rotationszustandes	Mikrowellenspektroskopie
Terahertzstrahlung	1 mm…100 µm	0,3·1012…30·1012 Hz	10…100 cm−1	0,1…1 kJ/mol	Änderung des Schwingungszustandes	Terahertz-Spektroskopie
Infrarotstrahlung	1 mm…780 nm	3·1011…3,8·1014 Hz	10…1,28·104 cm−1	0,12…153 kJ/mol	Änderung des Schwingungszustandes	Schwingungsspektroskopie; (Infrarotspektroskopie (IR), Reflexionsspektroskopie und Ramanspektroskopie, Ultrakurzzeit-Spektroskopie)
sichtbares Licht; UV-Strahlung	780 nm…10 nm	3·1014…3·1016 Hz	104…106 cm−1	100…104 kJ/mol	Änderung des Zustandes der äußeren Elektronen	UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis), Reflexionsspektroskopie, Fotoleitungsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie; Ultrakurzzeit-Spektroskopie; Atomspektroskopie; Vergleich mit Frequenzkamm
Röntgenstrahlung	10 nm…100 pm	3·1016…3·1018 Hz	106…108 cm−1	104…106 kJ/mol	Änderung des Zustandes der Rumpfelektronen	Röntgenspektroskopie (XRS); Elektronenspektroskopie; Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES);
Gammastrahlung	100 pm…1 pm	3·1018…3·1020 Hz	108…1010 cm−1	106…108 kJ/mol	Änderung des Kernzustandes (Anordnung der Nukleonen)	Gammaspektroskopie; Mößbauer-Spektroskopie

Liste mit Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik

1. Atomspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Atome, vor allem ihrer Elektronen-Energieniveaus
   • Atomabsorptionsspektroskopie (AAS/OAS)
     • Flammentechnik
     • Graphitrohrtechnik
     • Hydridtechnik
   • Atomemissionsspektrometrie (AES/OES)
     • Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP-OES)
     • Mikrowellen-Plasmafackel-AES (MPT-AES)
   • Atomfluoreszenzspektroskopie (AFS)
   • Gammaspektroskopie
   • Gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation (PAC-Spektroskopie)
   • Mößbauer-Spektroskopie (beruhend auf dem Mößbauer-Effekt)
   • Elektronenspektroskopie
     • Photoelektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlen (XPS)
     • Photoelektronenspektroskopie mit UV-Licht (UPS)
     • Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES)
     • Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)
     • Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS)
   • Röntgenspektroskopie (XRS)
     • Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)
     • Röntgenbeugung (XRD)
     • Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS)
   • Glimmentladungsspektroskopie (GDOES)
2. Molekülspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Moleküle, vor allem der Valenzelektronen-Energieniveaus und der Molekülschwingungen und -rotationen
   • Frequenzmodulationsspektroskopie
   • Fluoreszenzspektroskopie
     • Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie
     • Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie
   • Schwingungsspektroskopie
     • Infrarotspektroskopie (IR)
     • Ultraviolettspektroskopie (UV)
     • Ramanspektroskopie
     • Terahertz-Spektroskopie
   • Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
   • CIDNP-Spektroskopie (auch NMR-CIDNP-Spektroskopie)
   • Elektronenspinresonanz (ESR/EPR)
     • Elektron-Kern-Doppelresonanz (ENDOR)
   • Mikrowellenspektroskopie
   • UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis)
3. Festkörperspektroskopie – Messungen der Eigenschaften ganzer Festkörper (wie Kristalle), vor allem deren Bandstrukturdetails
   • Absorptions- oder Transmissionsspektroskopie
   • Reflexionsspektroskopie
   • Fotoleitungsspektroskopie, siehe Photoelektrischer Effekt#Innerer photoelektrischer Effekt
4. Impedanzspektroskopie (Dielektrische Spektroskopie)
5. Laserspektroskopie
   • Cavity-ring-down-Spektroskopie (CRDS, auch CRLAS)
   • Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)
   • Ultrakurzzeit-Spektroskopie – Messungen der Details von schnellen Vorgängen, vor allem chemischer Reaktionen ⓘ

Spektroskopie in der Astronomie

Gedenktafel für Kirchhoff in Heidelberg ⓘ

Die Absorptionslinien im Sonnenspektrum wurden nach Josef Fraunhofer benannt, der sie 1813 entdeckte. Doch erst 1859 konnten Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen die Natur dieser Linien als Fingerabdrücke von Elementen in der Sonnenatmosphäre erklären. In der folgenden Weiterentwicklung der Spektralanalyse gelang u. a. William Huggins (USA) und Angelo Secchi (Vatikansternwarte) die systematische Untersuchung von Sternspektren und die temperaturabhängige Klassifizierung der Sterne. ⓘ

Die Spektralanalyse des Lichts der Sonne und anderer Sterne zeigte, dass die Himmelskörper aus denselben Elementen bestehen wie die Erde. Allerdings wurde Helium zuerst durch Spektroskopie des Sonnenlichtes identifiziert. Eine der solaren Spektrallinien konnte jahrzehntelang keiner bekannten Substanz zugeordnet werden, so dass bis zum Nachweis des irdischen Vorkommens angenommen wurde, auf der Sonne (griech. Helios) existiere ein unbekanntes Element. ⓘ

Weitere klassische Erfolge der astronomischen Spektralanalyse sind

• der Nachweis des Doppler-Effektes an Sternen (siehe auch Radialgeschwindigkeit)
• und (um 1920) an Galaxien (siehe Rotverschiebung),
• die exakte fotografische Analyse des Sterns Tau Scorpii durch Albrecht Unsöld 1939
• von Magnetfeldern auf Sonne und hellen Sternen (Zeeman-Effekt)
• und vor allem die Feststellung von Stern-Temperaturen und der Spektralklassen (siehe auch Hertzsprung-Russell-Diagramm und Sternentwicklung). ⓘ

Die zugehörigen Messinstrumente („Spektralapparate“) der Astrospektroskopie sind:

• das Spektroskop und das Spektrometer (beides visuell)
• der Spektrograf (fotografisch bzw. mit Sensoren)
• der Monochromator und das Interferenz-Spektrometer
• der Frequenzkamm ⓘ