Grundlagen der elektromagnetischen Strahlung und Spektroskopie

Was ist elektromagnetische Strahlung?

Elektromagnetische Strahlung ist eine Energieform, die sich mit enormer Geschwindigkeit durch den Raum ausbreitet und sowohl elektrische als auch magnetische Komponenten enthält.

Theorien zur elektromagnetischen Strahlung

• Wellentheorie: Erklärt Phänomene wie Beugung, Polarisation und Refraktion.
• Quantentheorie (Planck): Betrachtet Strahlung als diskrete Energiepakete, sogenannte Photonen oder Quanten.
• Dual-Theorie: Die moderne Sichtweise vereint Wellen- und Teilcheneigenschaften.

Wichtige Parameter

• Wellenlänge (λ): Der Abstand zwischen zwei Maxima oder Minima einer Welle (gemessen in Metern oder cm).
• Frequenz (ν): Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (Einheit: Hz).
• Wellenzahl: Der Kehrwert der Wellenlänge (in cm⁻¹).

Instrumentelle Analytik

Komponenten eines Spektrometers

• Strahlungsquellen:
  • UV-Bereich: Wasserstoff- oder Deuterium-Lampen.
  • Sichtbarer Bereich (VIS): Wolfram-Lampen.
  • Kontinuierliche Quellen: Decken einen weiten Wellenlängenbereich ab (z. B. 400–700 nm).
  • Linienquellen: Emittieren einzelne Spektrallinien (z. B. für Atomabsorption).
• Wellenlängenselektor: Isoliert spezifische Wellenlängen (z. B. Absorptionsfilter, Interferenzfilter oder Monochromatoren).
• Probenzelle (Küvette): Enthält die Probe (Analyt + Lösungsmittel). Für UV-Messungen wird Quarzglas verwendet.
• Detektor: Wandelt Lichtsignale in elektrische Signale um (z. B. Fototuben).
• Signalprozessor: Bereitet das Signal für die Anzeige auf.

Gesetzmäßigkeiten

Beer-Lambert-Gesetz

Die Absorption (A) wird durch die Formel A = εbc beschrieben, wobei:

• ε: Extinktionskoeffizient
• b: Schichtdicke
• c: Konzentration

Das Gesetz setzt voraus, dass die einfallende Strahlung monochromatisch ist und die absorbierenden Teilchen unabhängig voneinander agieren.

Mathematische Auswertung

Die Methode der kleinsten Quadrate wird verwendet, um eine Ausgleichsgerade durch experimentelle Datenpunkte zu legen (Gleichung: y = mx + b).

Das elektromagnetische Spektrum

Das Spektrum umfasst verschiedene Strahlungsarten, die sich in Energie und Wechselwirkung mit Materie unterscheiden:

• Gammastrahlen: Kernprozesse.
• Röntgenstrahlen: Innere Elektronenschichten.
• UV-Strahlung: Äußere Elektronenschichten.
• Sichtbares Licht: Äußere Elektronenschichten.
• Infrarotstrahlung: Molekulare Schwingungen und Rotationen.
• Mikrowellen: Molekulare Rotationen.
• Radiofrequenz: Spin-Zustände (magnetisch induziert).

Wechselwirkungen mit Materie

• Absorption: Energieübertragung auf Atome oder Moleküle, führt zu Übergängen zwischen Energieniveaus.
• Dispersion (Streuung): Strahlung wird in verschiedene Winkel abgelenkt (Grundlage der Turbidimetrie).
• Transmission: Strahlung durchdringt die Probe ohne dauerhaften Energieübertrag (Grundlage der Refraktometrie und Polarimetrie).