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Reflexionsmethoden in der IR-Spektroskopie

Gerichtete Reflexionsspektroskopie

Prinzip

Gerichtete bzw. spiegelnde Reflexion beobachtet man an glatten ebenen Oberflächen. An der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit den Brechungsindizes n 1 und n 2 wird die auftreffende Strahlung teilweise reflektiert. Das Reflexionsvermögen R (Verhältnis zwischen reflektierter Strahlung und einfallender Strahlung) ist dabei abhängig von

  • den wellenlängenabhängigen Brechungs- und Absorptionsindizes und
  • dem Einfallswinkel der Strahlung
Abb.1

Für nichtabsorbierende Stoffe und senkrechten Einfallswinkel gilt für das Reflexionsvermögen R:

R = ( n 2 - n 1 ) 2 ( n 2 + n 1 ) 2

Für absorbierende Stoffe muss zusätzlich der Absorptionsindex k berücksichtigt werden:

n ' = n + i k n ' - komplexer Brechungsindex k - Absorptionsindex n - Brechungsindex

Daraus ergibt sich für das Reflexionsvermögen R des absorbierenden Stoffes 2:

R = ( n 2 - n 1 ) 2 + n 2 2 k 2 2 ( n 2 + n 1 ) 2 + n 2 2 k 2 2

Vorraussetzung:

  • senkrechter Einfallswinkel und
  • Stoff 1 nicht absorbierend

Das reflektierte Licht ist demnach abhängig von dem Absorptionsindex und trägt Informationen über den Stoff 2. Die Absorption kann durch größere Einfallswinkel erhöht werden.

Reflexionsspektren unterscheiden sich stark von Transmissionsspektren, da sie derivativähnliche Bandenformen zeigen. Die verzerrten Banden (reine Reflexionssignale) beobachtet man bei kleinen Wellenzahlen, bei großen Wellenzahlen bis in den NIR-Bereich findet man Absorptions-Reflexions- Signale. Mit Hilfe der Kramers-Kronig-Transformation (KKT) werden aus den Reflexionsspektren Absorptionsspektren berechnet. Der Reflexionsgrad ist abhängig von Brechungs- und Absorptionsindex des Untersuchungsobjektes. Deshalb müssen beide Indizes bei der Berechnung des Absorptionsspektrums berücksichtigt werden. Die Kramers-Kronig-Transformation trennt die spektralen Informationen nach Brechungs- und Absorptionsindex und macht so eine Interpretation der Spektren möglich.

Abb.2

Zubehör

Es existieren Zubehöre mit variablem und konstantem Einfallswinkel. Die Justage dieser Einheiten ist aufwendig und erfolgt mit einem Spiegel bis ein maximales Signal erhalten wird. Am häufigsten werden Zubehöre mit konstantem Einfallswinkel verwendet, da sie kostengünstig, robust und einfach zu handhaben sind.

Anwendungen

Die gerichtete Reflexion kommt dort zur Anwendung, wo glatte Oberflächen zerstörungsfrei untersucht werden sollen (z.B. Oberflächen von CDs, Lacke auf historischen Gegenständen).

Abb.3
Animation zur gerichteten Reflexion
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