Atomspektroskopie
  • Titelbild
  • Titelbild

Atomspektroskopie

Atomspektroskopische Methoden liefern Informationen über die qualitative sowie quantitative Zusammensetzung der untersuchten Probe.

Ein Bereich spektroskopischer Methoden zur Untersuchung von Materialien und Stoffen ist die optische Atom-Emissionsspektroskopie (OES oder AES). Die Bezeichnung „optisch“ resultiert daher, dass sich in der Vergangenheit diese Methode auf den mit dem Auge sichtbaren Bereich beschränkte. Es konnten gängige optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel eingesetzt werden. Die Atomspektroskopie beschäftigt sich mit der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit freien Atomen, das heißt, Atomen in der Gasphase.
Bei der Atomspektroskopie tritt entweder Emission (Lichterscheinung), Absorption (Lichtauslöschung) oder eine Kombination beider Effekte (Atomfluoreszenz) auf.

Atomemission

Funkenspektrometer nutzen die physikalischen Prinzipien der Atomemission (Funken-AES). Hierbei werden die Elektronen von freien Atomen auf energiereichere Zustände angeregt. Dadurch können sie elektromagnetische Strahlung (Licht) aussenden, die zur Materialcharakterisierung genutzt wird.

Linienspektren

Bei der Atomspektroskopie treten im Gegensatz zur Molekülspektroskopie sogenannte Linienspektren auf. Diese Linien zeichnen sich durch einen eng begrenzten Bereich (eine Wellenlänge bzw. Frequenz) aus. Als Beispiel sind die Atom-Emissionsspektren von Hg im sichtbaren (links) und Fe im UV (rechts) dargestellt:

Spektrum_Hg_Fe

Durch Lage (Wellenlänge) und Leuchtkraft (Intensität) der Emissionslinien liefern diese Spektren Information erstens über die Atomart und zweitens über die Menge der jeweiligen Atomart. Damit lassen sich qualitative sowie quantitative Aussagen treffen.

Atommodell

Tech_Emission_GERDie Ursache von Atomspektren lassen sich durch das Bohrsche Atommodell und die historisch später entwickelte quantenmechanische Beschreibung (Orbital-Theorie) erklären. Dabei geht man davon aus, dass Atome aus einem positiv geladenem Kern und Elektronenschalen bestehen. In diesen Schalen bzw. Orbitalen halten sich die negativ geladenen Elektronen auf. Je weiter es vom Atomkern entfernt ist, desto höher ist das Energieniveau eines solchen Elektrons. Durch Zufuhr von thermischer oder elektrischer Energie (z.B. Flamme oder Funke), nehmen Elektronen zusätzliche Energie auf und gelangen in ein weiter außen liegendes Orbital (hier z.B. E2). Aus diesem „fallen“ die Elektronen kurze Zeit später (einige Nanosekunden) wieder zurück und geben dabei ihre überschüssige Energie z.B. als Lichterscheinung ab. Das Atom emittiert Strahlung. Dieser Effekt ist in jeder Leuchtstoffröhre zu beobachten. In der Abbildung wird ein Elektron im Orbital mit dem Grundzustand E0 auf E2 befördert. Von dort kann es zurück nach E1 oder E0 fallen.

Die resultierenden Emissionslinien werden durch ihre Frequenz ν oder Wellenlänge λ charakterisiert:

Tech_Formel1

Für den elektronischen Übergang von E2 nach E0 resultiert eine von 21 unterschiedliche, kürzere Wellenlänge.

In sogenannten Termschemata werden die Elektronenübergänge von Atomen beschrieben. Die Energiedifferenzen und damit die möglichen Wellenlängen von Emissionslinien sind daher bekannt.

Was ist Licht

Im 19. Jahrhundert stritt sich die Wissenschaft lange Zeit darüber, ob Licht aus Materieteilchen (Photonen) besteht oder als Welleneigenschaft, ähnlich den Wellen auf einem See, beschrieben werden kann. Für beide Theorien gibt es Experimente, welche die jeweilige Theorie bekräftigen. Heute ist man der Ansicht, dass man Licht nur mit Hilfe beider Theorien beschreiben kann. Licht ist somit Materie und elektromagnetische Welle zugleich (Welle-Teilchen-Dualismus).

Elektromagnetisches Spektrum

Der Wellenlängenbereich, in dem elektromagnetische Wellen bei spektroskopischen Methoden detektiert werden, charakterisiert die jeweilige Methode.

ElmagSpektrumBei sehr kurzen Wellenlängen spricht man von der Röntgenspektroskopie. Hier werden Elektronen aus inneren Schalen durch sehr energiereiche Strahlung aus dem Atom herausgelöst. Die Röntgenspektroskopie arbeitet typischerweise mit Feststoffen.

Bei größeren Wellenlängen gelangt man zu Methoden der optischen Spektroskopie, zunächst in den nicht sichtbaren UV-Bereich (200-400 nm) und dann in den kleinen Bereich des sichtbaren Spektrums von Violett (400 nm) bis zu Rot (800 nm). Hier werden Elektronen auf äußeren Schalen des Atoms angeregt.
Anschließend an die optische Spektroskopie erscheint über das nahe Infrarot der Infrarot-Bereich, den wir durch Wärmestrahlung kennen. Hier finden molekülspektroskopische Verfahren Anwendung.

Anregung im Plasma

Bei der Atom-Emissionsspektroskopie lassen sich Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe untersuchen. Handelt es sich um einen Feststoff oder eine Flüssigkeit, so ist zunächst eine Verdampfung und Atomisierung des Materials erforderlich. Die Atome der Gasphase werden daraufhin durch geeignete Energiezufuhr elektronisch angeregt. Es entsteht ein Plasma, ein Gemisch aus Atomen, Molekülen und geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen).

Für eine Plasmaerzeugung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Historisch wurden zunächst Materialien untersucht, die mit Hilfe von Flammen verdampft und angeregt wurden. Die Anwendung beschränkt sich auf leicht verdampfbare und anregbare Elemente. Dies trifft auf etwa ein Fünftel der Elemente zu. Es gestattet einen einfachen Nachweis der Salze der Alkali- und Erdalkalielemente (z.B. Na, Li, Ca, Mg). Für die meisten Elemente sind höhere Energien erforderlich. Diese Energiezufuhr kann beispielsweise in Gasentladungen erfolgen durch:

  • stationäre Entladungen (Bögen, Glimmlampe, Hohlkathodenlampe)
  • nichtstationäre Entladungsformen (Funken, Koronaentladung, Laser)
  • zeitabhängige Strom-/Spannungsquellen (induktiv gekoppeltes Plasma, Mikrowellen)

Weiterlesen »