Spektroskopie

Ein Beispiel für Spektroskopie: a Prisma analysiert weißes Licht nach zerstreuen Es in seine Komponentenfarben.

Spektroskopie ist das allgemeine Studienbereich, das die misst und interpretiert elektromagnetische Spektren Das Ergebnis aus dem Interaktion zwischen elektromagnetisch Strahlung und Materie als Funktion der Wellenlänge oder Frequenz der Strahlung.[1][2][3][4][5][6] Materie Wellen und Akustische Wellen kann auch als Formen der Strahlungsenergie und in letzter Zeit betrachtet werden Gravitationswellen wurden mit einer spektralen Signatur im Kontext des Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (Ligo)

Einfacher ist die Spektroskopie die genaue Studie von Farbe wie verallgemeinert von sichtbares Licht an alle Bands der elektromagnetisches Spektrum. Historisch gesehen entstand die Spektroskopie als Untersuchung der Wellenlängenabhängigkeit der Absorption durch Gasphasensache des von a dispergierten sichtbaren Lichts Prisma.

Die Spektroskopie, hauptsächlich im elektromagnetischen Spektrum, ist ein grundlegendes exploratives Instrument in den Feldern von Astronomie, Chemie, Materialwissenschaften, und Physik, sodass die Zusammensetzung, die physikalische Struktur und die elektronische Struktur der Materie bei Atomic untersucht werden können, Molekular und Makroskala und vorbei astronomische Entfernungen. Wichtige Anwendungen umfassen Biomedizinische Spektroskopie in den Gebieten von Gewebe Analyse und medizinische Bildgebung.

Einführung

Spektroskopie ist ein Wissenschaftszweig, der sich mit dem befasst Spektren von elektromagnetische Strahlung als Funktion seiner Wellenlänge oder Frequenz gemessen durch spektrographisch Ausrüstung und andere Techniken, um Informationen über die Struktur und Eigenschaften der Materie zu erhalten.[7] Spektralmessgeräte werden als bezeichnet als Spektrometer, Spektrophotometer, Spektrographen oder Spektralanalysatoren. Die meisten spektroskopischen Analysen im Labor beginnen mit einer zu analysierenden Probe, dann wird eine Lichtquelle aus jedem gewünschten Bereich des Lichtspektrums ausgewählt, dann geht das Licht durch die Probe zu einem Dispersionsarray (Beugungsgitterinstrument) und wird von einem erfasst. Fotodiode. Für astronomische Zwecke muss das Teleskop mit dem leichten Dispersionsgerät ausgestattet sein. Es gibt verschiedene Versionen dieses grundlegenden Setups, die verwendet werden können.

Die Spektroskopie als Wissenschaft begann mit Isaac Newton Licht mit einem Prisma spalten und genannt wurde Optik.[8] Daher war es ursprünglich die Untersuchung von sichtbarem Licht, das wir nennen Farbe das später unter den Studien von James Clerk Maxwell kam, um das gesamte einzubeziehen elektromagnetisches Spektrum.[9] Obwohl Farbe an der Spektroskopie beteiligt ist, wird sie nicht mit der Farbe von Elementen oder Objekten gleichgesetzt, die die Absorption und Reflexion bestimmter elektromagnetischer Wellen beinhalten, um den Objekten unseren Augen ein Gefühl der Farbe zu verleihen. Vielmehr beinhaltet die Spektroskopie die Aufteilung des Lichts durch ein Prisma, ein Beugungsgitter oder ein ähnliches Instrument, um ein bestimmtes diskretes Linienmuster abzugeben, das als „Spektrum“ bezeichnet wird, das für jedes unterschiedliche Elementtyp einzigartig ist. Die meisten Elemente werden zuerst in eine gasförmige Phase eingebaut, damit die Spektren untersucht werden können, obwohl heute andere Methoden in verschiedenen Phasen angewendet werden können. Jedes Element, das durch ein prismähnliches Instrument gebeugt wird, zeigt entweder ein Absorptionsspektrum oder ein Emissionsspektrum, je nachdem, ob das Element abgekühlt oder erhitzt wird.[10]

Bis vor kurzem beinhaltete alle Spektroskopie die Untersuchung von Linienspektren und die meisten Spektroskopie.[11] Schwingungsspektroskopie ist der Zweig der Spektroskopie, der die Spektren untersucht.[12] Die neuesten Entwicklungen in der Spektroskopie können jedoch manchmal auf die Dispersionstechnik verzichten. In der biochemischen Spektroskopie können Informationen über biologisches Gewebe durch Absorptions- und Lichtstreuungstechniken gesammelt werden. Lichtstreuungsspektroskopie ist eine Art von Reflexionsspektroskopie, die Gewebestrukturen durch Untersuchung der elastischen Streuung bestimmt.[13] In einem solchen Fall ist es das Gewebe, das als Beugung oder Dispersionsmechanismus wirkt.

Spektroskopische Studien waren zentral für die Entwicklung von Quantenmechanik, weil die ersten nützlichen Atommodelle die Spektren von Wasserstoff beschrieben haben, die Modelle enthalten BOHR -Modell, das Schrödinger Gleichung, und Matrixmechanik welche alle die Spektrallinien von produzieren können WasserstoffBereitstellung der Grundlage für diskrete Quantensprungs, die dem diskreten Wasserstoffspektrum entsprechen. Ebenfalls, Max PlanckErklärung von Schwarzkörperstrahlung beteiligte Spektroskopie, weil er die Wellenlänge des Lichts mit einem Photometer mit der Temperatur von a vergleicht Schwarzer Körper.[14] Spektroskopie wird in verwendet physisch und analytische Chemie Weil Atome und Moleküle haben einzigartige Spektren. Infolgedessen können diese Spektren verwendet werden, um Informationen über die Atome und Moleküle zu erkennen, zu identifizieren und zu quantifizieren. Spektroskopie wird auch in verwendet Astronomie und Fernerkundung auf der Erde. Die meisten Forschungen Teleskope Spektrographen haben. Die gemessenen Spektren werden verwendet, um die chemische Zusammensetzung zu bestimmen und physikalische Eigenschaften von astronomische Objekte (wie ihre Temperatur, Dichte der Elemente in einem Stern, Geschwindigkeit, Schwarze Löcher und mehr).[15] Eine wichtige Verwendung für die Spektroskopie ist die Biochemie. Molekulare Proben können auf Speziesidentifikation und Energiegehalt analysiert werden.[16]

Theorie

Die zentrale Theorie der Spektroskopie ist, dass Licht aus verschiedenen Wellenlängen besteht und jede Wellenlänge einer anderen Frequenz entspricht. Die Bedeutung der Spektroskopie dreht sich um die Tatsache, dass jedes unterschiedliche Element in der Periodensystem hat ein einzigartiges Lichtspektrum, das durch die Lichtfrequenzen beschrieben wird, die es aus emittiert oder absorbiert, die im selben Teil des elektromagnetischen Spektrums konsistent erscheint, wenn dieses Licht gebeugt wird. Dies eröffnete ein ganzes Studienfeld mit allem, was Atome enthält, was alles ist. Die Spektroskopie ist der Schlüssel zum Verständnis der Atomeigenschaften aller Materie. Als solche eröffnete die Spektroskopie viele neue Unterteile der Wissenschaft und doch unentdeckt. Die Idee, dass jedes Atomelement seine eindeutige spektrale Signatur hat, ermöglichte die Spektroskopie in einer breiten Anzahl von Feldern mit jeweils ein spezifisches Ziel, das durch verschiedene spektroskopische Verfahren erzielt wird. Diese einzigartigen Spektrallinien für jedes Element sind in so vielen Wissenschaftszweigen so wichtig, dass die Regierung eine öffentliche Atomspektrendatenbank mit sich bringt, die kontinuierlich mit genaueren Messungen auf seiner NIST -Website aktualisiert wird.[17]

Die Verbreiterung des Spektroskopiefeldes ist darauf zurückzuführen, dass ein Teil des elektromagnetischen Spektrums verwendet werden kann, um eine Probe vom Infrarot zum ultravioletten Anzeichen von Wissenschaftlern unterschiedliche Eigenschaften über dieselbe Probe zu analysieren. Zum Beispiel in der chemischen Analyse umfasst die häufigsten Arten der Spektroskopie Atomspektroskopie, Infrarotspektroskopie, Ultraviolett und sichtbare Spektroskopie, Raman -Spektroskopie und Kernspinresonanz.[18] In der nuklearen Magnetresonanz ist die Theorie dahinter, dass die Frequenz analog zu Resonanz und seine entsprechende Resonanzfrequenz. Resonanzen durch die Frequenz wurden zuerst in mechanischen Systemen charakterisiert, wie sie Pendel die eine Bewegungsfrequenz haben, die berühmt von einem durch Galileo.[19]

Klassifizierung von Methoden

Ein riesiges Beugungsgitter im Herzen des Ultra-Werts ESPRESSO Spektrograph.[20]

Die Spektroskopie ist ein ausreichend breites Feld, dass viele Subdisziplinen existieren, jeweils zahlreiche Implementierungen spezifischer spektroskopischer Techniken. Die verschiedenen Implementierungen und Techniken können auf verschiedene Weise klassifiziert werden.

Art der Strahlungsenergie

Die Arten der Spektroskopie unterscheiden sich durch die Art der Strahlungsenergie, die an der Wechselwirkung beteiligt ist. In vielen Anwendungen wird das Spektrum durch Messung von Änderungen der Intensität oder Häufigkeit dieser Energie bestimmt. Die Arten der untersuchten Strahlungsenergie umfassen:

Art der Interaktion

Die Arten der Spektroskopie können auch durch die Art der Wechselwirkung zwischen Energie und Material unterschieden werden. Diese Interaktionen umfassen:[5]

  • Absorptionsspektroskopie: Die Absorption tritt auf, wenn Energie aus der Strahlungsquelle vom Material absorbiert wird. Die Absorption wird häufig durch Messung des durch das Material übertragenen Energieanteils bestimmt, wobei die Absorption den übertragenen Teil verringert.
  • Emissionsspektroskopie: Emission zeigt an, dass die Strahlungsenergie vom Material freigesetzt wird. Ein Material Schwarzkörperspektrum ist ein spontanes Emissionsspektrum, das durch seine Temperatur bestimmt wird. Diese Funktion kann im Infrarot durch Instrumente wie das atmosphärische Strahlungsinterferometer gemessen werden.[21] Emission kann auch durch andere Energiequellen induziert werden, wie z. Flammen, Funken, elektrische Bögen oder elektromagnetische Strahlung im Fall von Fluoreszenz.
  • Elastische Streuung und Betrachtung Spektroskopie bestimmen, wie eine einfallende Strahlung durch ein Material reflektiert oder verstreut wird. Kristallographie Verwendet die Streuung von Strahlung mit hoher Energie wie Röntgenstrahlen und Elektronen, um die Anordnung von Atomen in Proteinen und festen Kristallen zu untersuchen.
  • Impedanzspektroskopie: Impedanz ist die Fähigkeit eines Mediums, die Energieübertragung zu behindern oder zu verlangsamen. Zum optisch Anwendungen, dies wird durch die gekennzeichnet Brechungsindex.
  • Unelastische Streuung Phänomene beinhalten einen Energieaustausch zwischen der Strahlung und der Materie, die die Wellenlänge der gestreuten Strahlung verändert. Diese beinhalten Raman und Compton Streuung.
  • Kohärent oder Resonanzspektroskopie sind Techniken, bei denen die Strahlungsenergie zwei Quantenzustände des Materials in a kohärent Wechselwirkung, die durch das Strahlungsfeld aufrechterhalten wird. Die Kohärenz kann durch andere Wechselwirkungen wie Partikelkollisionen und Energieübertragung gestört werden und erfordern so oft eine hohe Intensitätsstrahlung, um aufrechtzuerhalten. Nukleare Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist eine weit verbreitete Resonanzmethode und Ultraaste Laserspektroskopie ist auch in den Infrarot- und sichtbaren Spektralregionen möglich.
  • Kernspektroskopie sind Methoden, die die Eigenschaften von spezifisch verwenden Kerne um die zu untersuchen Lokale Struktur in Materie hauptsächlich kondensierte Materie, Moleküle in Flüssigkeiten oder gefrorenen Flüssigkeiten und Biomolekülen.

Art des Materials

Spektroskopische Studien sind so konzipiert, dass die Strahlungsenergie interagiert mit bestimmten Arten von Materie.

Atome

Atomspektroskopie war die erste Anwendung der Spektroskopie entwickelte. Atomabsorptionsspektroskopie und Atomemissionsspektroskopie Sichtbares und ultraviolettes Licht einbeziehen. Diese Absorptionen und Emissionen, die häufig als atomare Spektrallinien bezeichnet werden, sind auf elektronische Übergänge von äußeren Schalenelektronen, wenn sie von einer Elektronenumlaufbahn in eine andere steigen und fallen. Atome haben auch unterschiedliche Röntgenspektren, die auf die Anregung von inneren Schalenelektronen zu angeregten Zuständen zurückzuführen sind.

Atome unterschiedlicher Elemente haben unterschiedliche Spektren und daher ermöglicht die Atomspektroskopie die Identifizierung und Quantifizierung der Elementarzusammensetzung einer Probe. Nach Erfindung des Spektroskops, Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff Entdeckte neue Elemente, indem sie ihre Emissionsspektren beobachteten. Atomabsorptionsleitungen werden im Solarzspektrum beobachtet und als als bezeichnet Fraunhofer Linien Nach ihrem Entdecker. Eine umfassende Erklärung der Wasserstoffspektrum war ein früher Erfolg der Quantenmechanik und erklärte das Lammverschiebung im Wasserstoffspektrum beobachtet, was weiter zur Entwicklung von führte Quantenelektrodynamik.

Moderne Implementierungen der Atomspektroskopie zur Untersuchung von sichtbaren und ultravioletten Übergängen umfassen Flammenemissionsspektroskopie, induktiv gekoppelte Plasma -Atomemissionsspektroskopie, Glühdleitungsspektroskopie, Mikrowellen -induziertes Plasma Spektroskopie und Funken- oder Bogenemissionsspektroskopie. Zu den Techniken zur Untersuchung von Röntgenspektren gehören Röntgenspektroskopie und Röntgenfluoreszenz.

Moleküle

Die Kombination von Atomen in Moleküle führt zur Schaffung einzigartiger Arten von energetischen Zuständen und damit einzigartigen Spektren der Übergänge zwischen diesen Zuständen. Molekulare Spektren können aufgrund von Elektronenspinzuständen erhalten werden (elektronen paramagnetische Resonanz), molekulare Rotationen, molekulare Schwingungund elektronische Zustände. Rotationen sind kollektive Bewegungen der Atomkerne und führen typischerweise zu Spektren in den mikrowellen- und Millimeter-Wellen-Spektralregionen. Rotationsspektroskopie und Mikrowellenspektroskopie sind synonym. Vibrationen sind relative Bewegungen der Atomkerne und werden sowohl von Infrarot als auch von Infrarot und untersucht Raman -Spektroskopie. Elektronische Anregungen werden sowohl mit sichtbaren und ultravioletten Spektroskopie als auch untersucht Fluoreszenzspektroskopie.

Studien zur molekularen Spektroskopie führten zur Entwicklung des ersten Maser und zur anschließenden Entwicklung der beigetragen Laser-.

Kristalle und erweiterte Materialien

Die Kombination von Atomen oder Molekülen in Kristalle oder andere erweiterte Formen führt zur Schaffung zusätzlicher energetischer Zustände. Diese Zustände sind zahlreich und haben daher eine hohe Dichte von Staaten. Diese hohe Dichte macht die Spektren oft schwächer und weniger unterschiedlich, d. H. Breiter. Zum Beispiel ist die Schwarzkörperstrahlung auf die thermischen Bewegungen von Atomen und Molekülen in einem Material zurückzuführen. Akustische und mechanische Reaktionen sind auch auf kollektive Bewegungen zurückzuführen. Reine Kristalle können jedoch unterschiedliche spektrale Übergänge aufweisen, und die Kristallanordnung wirkt sich auch auf die beobachteten molekularen Spektren aus. Das regelmäßige Gitterstruktur von Kristallen streut auch Röntgenstrahlen, Elektronen oder Neutronen, die kristallographische Untersuchungen ermöglichen.

Kerne

Kerne haben auch unterschiedliche Energiezustände, die weit getrennt sind und dazu führen Gamma Ray Spektren. Unterschiedliche Kernspinzustände können ihre Energie durch ein Magnetfeld getrennt haben, und dies erlaubt es Kernresonanzspektroskopie.

Andere Arten

Andere Arten von Spektroskopie werden durch bestimmte Anwendungen oder Implementierungen unterschieden:

Anwendungen

Uves ist ein hochauflösendes Spektrograph auf der Sehr großes Teleskop.[29]

Es gibt mehrere Anwendungen der Spektroskopie in den Bereichen Medizin, Physik, Chemie und Astronomie. Nutzen Sie die Eigenschaften von Absorption Mit der Astronomieemission kann Spektroskopie verwendet werden, um bestimmte Naturzustände zu identifizieren. Die Verwendung von Spektroskopie in so vielen verschiedenen Bereichen und für so viele verschiedene Anwendungen hat wissenschaftliche Unterfelder für Spezialitäten verursacht. Solche Beispiele sind:

  • Bestimmung der Atomstruktur einer Probe[30]
  • Untersuchung spektraler Emissionslinien der Sonne und entfernten Galaxien[31]
  • Weltraumforschung
  • Heilungsprüfung von Verbundwerkstoffe Verwendung optische Fasern.
  • Schätzung der verwitterten Holzbelichtungszeiten mit der Nahinfrarot -Spektroskopie.[32]
  • Messung verschiedener Verbindungen in Lebensmittelproben durch Absorptionsspektroskopie sowohl im sichtbaren als auch im Infrarotspektrum.
  • Messung toxischer Verbindungen in Blutproben
  • Nicht-zerstörerische Elementanalyse durch Röntgenfluoreszenz.
  • Elektronische Strukturforschung mit verschiedenen Spektroskopen.
  • Rotverschiebung um das festzustellen Geschwindigkeit und Geschwindigkeit eines entfernten Objekts
  • Bestimmung der Stoffwechselstruktur eines Muskels
  • Überwachung des gelösten Sauerstoffgehalts in Süßwasser- und Meeresökosystemen
  • Veränderung der Struktur von Arzneimitteln zur Verbesserung der Wirksamkeit
  • Charakterisierung von Proteinen
  • Atemgasanalyse in Krankenhäusern[33]
  • Finden der physikalischen Eigenschaften eines entfernten Sterns oder eines nahe gelegenen Exoplanets mit dem Relativistischer Doppler -Effekt.[34]
  • OVO-Sexing: Die Spektroskopie ermöglicht es, das Geschlecht des Eies während des Schlüpfens zu bestimmen. Beide Länder wurden von französischen und deutschen Unternehmen entwickelt und beschlossen, zu verbieten Küchenkeuling, meistens durch einen Macerator im Jahr 2022.[35]

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte der Spektroskopie

Die Geschichte der Spektroskopie begann mit Isaac Newton's Optics Experimente (1666–1672). Entsprechend Andrew Fraknoi und David Morrison"1672 in dem ersten Papier, das er dem unterwarf königliche GesellschaftIsaac Newton beschrieb ein Experiment, in dem er das Sonnenlicht erlaubte, durch ein kleines Loch und dann durch ein Prisma zu gehen. Newton fand, dass Sonnenlicht, das für uns weiß aussieht, tatsächlich aus einer Mischung aus allen Farben des Regenbogens besteht. "[36] Newton wandte das Wort "Spektrum" an, um den Regenbogen der Farben zu beschreiben, die sich zu einem weißen Licht bilden, und die offenbart werden, wenn das weiße Licht durch ein Prisma geleitet wird.

Fraknoi und Morrison geben an, dass "im Jahr 1802, William Hyde Wollaston Erstellte ein verbessertes Spektrometer mit einem Objektiv, um das Sonnenspektrum auf einem Bildschirm zu fokussieren. Nach Verwendung erkannte Wollaston, dass die Farben nicht gleichmäßig verteilt waren, sondern fehlte fehlende Farbenflecken, die als dunkle Bänder im Spektrum erschienen. "[36] Im frühen 19. Jahrhundert,, Joseph von Fraunhofer machte experimentelle Fortschritte mit dispersiven Spektrometern, die es der Spektroskopie ermöglichten, eine präzisere und quantitativere wissenschaftliche Technik zu werden. Seitdem hat die Spektroskopie eine bedeutende Rolle in Chemie, Physik und Astronomie gespielt und spielt weiterhin. Laut Fraknoi und Morrison "untersuchten der deutsche Physiker Joseph Fraunhofer im Jahr 1815 auch das Sonnenspektrum und fand ungefähr 600 solcher dunklen Linien (fehlende Farben), jetzt als Fraunhofer -Linien oder Absorptionslinien bekannt."[36]

In quantenmechanischen Systemen ist die analoge Resonanz eine Kopplung von zwei Quantenmechanik Stationäre Staaten eines Systems wie eins Atomüber eine oszillatorische Energiequelle wie a Photon. Die Kopplung der beiden Zustände ist am stärksten, wenn die Energie der Quelle mit der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen übereinstimmt. Die Energie E eines Photons hängt mit seiner Frequenz zusammen ν durch E = hν wo h ist Plancks Konstanteund so ein Spektrum der Systemreaktion vs. Photonenfrequenz erreicht die Resonanzfrequenz oder Energie. Partikel wie Elektronen und Neutronen eine vergleichbare Beziehung haben, die De Broglie Beziehungen, zwischen ihrer kinetischen Energie und ihrer Wellenlänge und Frequenz und kann daher auch resonante Wechselwirkungen erregen.

Spektren von Atomen und Molekülen bestehen häufig aus einer Reihe von Spektrallinien, die jeweils eine Resonanz zwischen zwei verschiedenen Quantenzuständen darstellen. Die Erklärung dieser Serien und der damit verbundenen spektralen Muster war eines der experimentellen Rätsel, die die Entwicklung und Akzeptanz der Quantenmechanik trieben. Das Wasserstoffspektralserien insbesondere wurde erstmals erfolgreich durch die erklärt Rutherford -Bohr Quantenmodell des Wasserstoffatoms. In einigen Fällen sind Spektrallinien gut getrennt und unterscheidbar, aber Spektrallinien können sich auch überlappen und scheinen ein einzelner Übergang zu sein, wenn die Energiedichte ist hoch genug. Die benannten Reihe von Linien umfassen die Rektor, Scharf, diffus und grundlegende Serie.

Siehe auch

Anmerkungen

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Verweise

Externe Links