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Quantentheorie und Spektroskopie: Grundlagen

Einleitung

Die Spektroskopie behandelt die Übergänge zwischen zwei verschiedenen Energiezuständen eines Atoms oder Moleküls. Bei jedem spektroskopischen Übergang wird entweder ein Photon abgegeben (emittiert) oder aufgenommen (absorbiert). Die Frequenz des Photons ergibt sich dabei aus der Energiedifferenz der beiden Zustände nach der Bohr'schen Frequenzbedingung:

E = h ν

Je nachdem, um welche Art von Übergang es sich handelt, unterscheidet man verschiedene Arten der Spektroskopie:

Tab.1
ÜbergangArt der SpektroskopieArt der verwendeten Strahlung
Elektronische Übergänge Elektronenspektroskopie (UV-Spektroskopie)UV-Strahlung (100-400 nm)
Übergänge zwischen verschiedenen Rotations- und SchwingungszuständenRaman-SpektroskopieLaser-Licht (z.B. 500 nm)
Übergänge zwischen verschiedenen SchwingungszuständenSchwingungsspektroskopie (IR-Spektroskopie)Infrarot-Strahlung (2500-25000 nm)
Übergänge zwischen verschiedenen RotationszuständenRotationsspektroskopie (MW-Spektroskopie)Mikrowellen-Strahlung (1-100 GHz)
Übergänge zwischen verschiedenen Einstellungen des Kernspins (im Magnetfeld)Kernresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie)Radiowellen (0,8-15 m)

Weiterhin unterscheidet man zwischen Absorptions- und Emissionsspektroskopie, je nachdem ob Photonen aufgenommen oder abgegeben werden. Für die Absorption gilt dabei das Lambert-Beer'sche Gesetz, nach dem die Intensität der Strahlung beim Durchgang durch die Probe exponentiell abnimmt:

lg I I 0 = ε c d

Der molare Absorptionskoeffizient ε ist dabei ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des spektralen Übergangs. Die Strahlungsabsorption ist ein Vorgang, der durch ein Photon induziert wird, während die Emission von Strahlung sowohl induziert als auch spontan erfolgen kann.

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