Chemie Grundlagen

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Physikalische Chemie

Spektralanalyse

Was es mit der Spektralanalyse auf sich hat wie man damit Rückschlüsse auf bestimmte Stoffe schließen kann, erfährst du hier.

Schau auf jeden Fall noch unser Video%Videoverweis zum Artikel an. Darin ist die Thematik für dich nochmal audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Spektralanalyse einfach erklärt

Die Spektralanalyse ist ein Sammelbegriff für die Aufnahme und Auswertung von Spektren . Damit bestimmst du die Zusammensetzung einer vorliegenden Probe. Generell gibt es zwei Möglichkeiten der Spektralanalyse. Man betreibt entweder Emissionsspektralanalyse. Dabei wird ein gasförmiges Medium zur Emission von Photonen angeregt und deren Spektrum aufgenommen. Eine weitere Methode ist die Absorptionsspektralanalyse.  Hierbei erzeugst du Licht, welches eine Probe durchdringt. Das Spektrum des absorbierten Lichts ist dein Absorptionsspektrum. 

Diese Spektren erhält man grundsätzlich durch die Brechung elektromagnetischer Wellen. Je nach durchdrungenem Medium, reduziert die Brechung an den Grenzflächen die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle. Dabei kommt es zu einer Brechung, deren Winkel zur Oberflächen-normalen von der Wellenlänge abhängig ist. 

Merke

Mit der Spektralanalyse kannst du anhand der Analyse eines Spektrums herausfinden, aus welchen Elementen eine vorliegende Probe oder ein Stoff zusammengesetzt ist.

Spektralanalyse Grundlagen

Das Spektrum elektromagnetischer Wellen ist eine physikalische Verteilungsfunktion der Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit der Strahlungsfrequenz. Das heißt du beurteilst danach, welche Wellenlängen in welcher Intensität innerhalb des beobachteten Energiebereichs vorkommen. Du unterscheidest dabei in Emissions- und Absorptionsspektrum. Ein Emissionsspektrum ist charakteristisch für eine bestimmte Strahlungsquelle. Ein Absorptionsspektrum beschreibt die Veränderung eines Emissionsspektrums, beim Durchdringen einer Probe. %Bild eines Absorptions- und eines Emissionsspektrums

Um die Zusammensetzung einer Probe festzustellen nutz du aus, dass Atome sehr diskrete elektromagnetische Spektren aufweisen. Diese bezeichnet man als Linienspektren, welche eindeutig Elementen zugeordnet werden können. Bei einem Linienspektrum handelt es sich um getrennte Stellen erhöhter Intensität, die aufgrund ihrer Form und Ausprägung als Linien bezeichnet werden. %Bild eines Linienspektrums

Um eine Spektralanalyse durchzuführen, benötigst du ein Spektroskop. Je nachdem, wie du dein Licht in seine Spektralllinien zerlegen willst, benutzt du dafür ein Prismenspektroskop oder ein Gitterspektroskop
Die zu untersuchende elektromagnetische Welle strahlt durch einen schmalen Spalt auf ein Prisma oder Gitter. Die Welle wird in ihre spektroskopischen Bestandteile zerlegt, was es dir ermöglicht die Spektralllinien auszumessen. Die Wellenlängen die du so misst, geben dir dann Auskunft über die Zusammensetzung deiner Strahlungsquelle, beziehungsweise der Probe. %Bild der Brechung am Gitter und am Prisma

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Spektralanalyse Anwendung

Für die Spektralanalyse gibt es in vielen Bereichen wichtige Anwendungen. Vor allem bei Werkstoffen ist es oft relevant zu wissen, woraus das Material zusammengesetzt ist um Verunreinigungen so gering wie möglich zu halten. 

Die Methode zur Spektralanalyse von Metall heißt Optische Emissionsspektrometrie. Dazu erhitzt du einen kleinen Teil einer metallenen Probe, wie Stahl, auf mehrere tausend Grad Celsius. Dies ermöglicht eine, von einer Hochspannungsquelle gespeisten, Elektrode, welche die Oberfläche der Probe berührt. 

Zwischen der Elektrode und der Probe herrscht ein starkes Gefälle im elektrischen Potential, was zu einer elektrischen Entladung in Form eines Lichtbogens führt. Das Material an der Oberfläche der Probe erhitzt sich dadurch so sehr, dass es verdampft. Für einen kleinen Zeitraum sind die Atome im verdampften Material stark genug angeregt um ein Plasma zu bilden. Dieses emittiert Licht. Dieses Licht gelangt in den Spektrometer. Das an einem Beugungsgitter in seine Element spezifischen Wellenlängen zerlegte Licht strahlt auf verschiedene Detektoren.  Diese Detektoren messen die Intensitäten der einzelnen Wellenlängen. Die gemessene Intensität ist proportional zur Konzentration des Elements in der Metallprobe. %Bild von Zeros-Berlin

Spektralanalyse Arten

Wie bereits erwähnt gibt es zwei Möglichkeiten Spektralanalyse zu betreiben. In den meisten Fällen braucht es zunächst eine Emissionspektralanalyse, damit du weißt woraus deine Lichtquelle zusammengesetzt ist. Mit diesem Wissen betreibst du dann Absorptionsspektralanalyse. 

Emissionsspektralanalyse

Bei der Emissionsspektralanalyse regst du die Atome deines Stoffes energetisch an. Dadurch strahlen diese elektromagnetische Wellen in Form von Licht ab. Dieses Licht zerteilst du dann in seine Spektralen Bestandteile indem du es durch ein Prisma oder ein Gitter lenkst. Auf diese Weise erfährst du, aus welchen Elementen deine Probe besteht.

Absorptionsspektralanalyse

Bei er Absorptionsspektralanalyse benutzt du eine Lichtquelle deren Spektrum dir bekannt ist und strahlst dieses Licht auf eine Wolke die du untersuchen willst. Die Strahlung, die die Wolke durchdringt, zerlegst du dann mit einem Prisma oder Gitter in seine Spektralen Bestandteile. Da du das Spektrum deiner Quelle kennst, siehst du nun welche Bestandteile des Spektrums fehlen und kannst so identifizieren, welche Elemente deine Probe enthält. 

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