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Tutorial MenueInstrumentelle Analytik - kompaktLerneinheit 2 von 4

Schwingungsspektroskopie - kompakt

Das Raman-Spektrum

Tritt ein Lichtstrahl mit der Energie h ν  durch eine Probe, dann kann dieser Lichtstrahl

Abb.1

Der Raman-Effekt ist ein Streuphänomen. Es ist allgemein bekannt, dass an trüben bzw. kolloidalen Proben eine Streuung von Licht an den makroskopischen Partikeln auftritt. Dieser Effekt wird als Tyndall-Streuung bezeichnet. Was passiert aber nun, wenn ein monochromatischer Lichtstrahl auf eine völlig staub- und partikelfreie Probe trifft, die diesen Lichtstrahl kaum absorbiert? Das Licht wird an den Molekülen gestreut.

Der größte Teil dieser Streustrahlung ( 10 - 3  I 0 ; 99,9 %) hat dieselbe Energie bzw. Frequenz wie das eingestrahlte Licht und wird als Rayleigh-Streustrahlung bezeichnet. Neben dieser Strahlung findet man außerdem einen kleinen Teil von Streustrahlung ( 10 - 5 - 10 - 8  I 0 ), deren Energie bzw. Frequenz sich von der Rayleigh-Streustrahlung unterscheiden. Diese Strahlung wird als Raman-Streustrahlung bezeichnet. Die Raman-Streustrahlung wird von Molekülschwingungen und Molekülrotationen verursacht. Die Raman-Spektroskopie ist damit eine spektroskopische Methode, die, wie die IR-Spektroskopie, häufig zur Strukturaufklärung organischer und anorganischer Verbindungen eingesetzt wird.

Abb.2
Mit freundlicher Genehmigung der VCHVerlagsgesellschaft mbH, Weinheim, entnommen aus Infrared and Raman Spectroscopy edited by B. Schrader (1995); S. 19, Abb. 2.4.-1a

Wenn ein Molekül einer Probe mit einem Lichtquant der Energie h ν  wechselwirkt, wird es zunächst auf einen virtuellen Zustand angehoben. Dieser virtuelle Zustand befindet sich zwischen dem Grundzustand und dem ersten elektronischen Zustand und kann jeden beliebigen Wert annehmen. Er ist nicht gequantelt.

Die Rayleigh-Linie weist im Spektrum dieselbe Frequenz wie das Erregerlicht auf. Es handelt sich hier um einen elastischen Stoß zwischen Molekül und einem Lichtquant der Erregerstrahlung. Bei der Rayleigh-Streuung wird also keine Energie an das Molekül abgegeben bzw. vom Molekül aufgenommen. Dies ist der wahrscheinlichste Prozess. Deshalb ist die Rayleigh-Linie im Raman-Spektrum sehr intensiv.

Die Stokes-Linien entstehen dadurch, dass Moleküle, die sich im Schwingungsgrundzustand befinden, durch Aufnahme von Energie des eingestrahlten Lichtes in einen angeregten Schwingungszustand übergehen. Die Streustrahlung befindet sich demnach bei größeren Wellenlängen (kleineren Frequenzen) als die Rayleigh-Linie.

Die Anti-Stokes-Linien entstehen, wenn sich ein Molekül schon in einem angeregten Schwingungszustand befindet. Dadurch können sie ihre Schwingungsenergie an die Anregungsstrahlung abgeben und selbst in den Schwingungsgrundzustand übergehen. Die Streustrahlung befindet sich demnach bei kleineren Wellenlängen (größeren Frequenzen) als die Rayleigh-Linie. Da sich bei Raumtemperatur aber nur wenige Moleküle im angeregten Schwingungszustand befinden, sind diese Übergänge selten und die Intensitäten der Anti-Stokes-Linien nur gering.

Abb.3

Animation zur Entstehung der Rayleigh-Linie und der Raman-Linien

Das Aussehen eines Raman-Spektrums

Theorie des Raman-Effektes

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