SPEKTRALANALYSE. entwickelt um 1860 von: GUSTAV ROBERT KIRCHHOFF ( ; dt. Physiker) + ROBERT WILHELM BUNSEN ( ; dt.

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1 SPEKTRALANALYSE = Gruppe von Untersuchungsmethoden, bei denen das Energiespektrum einer Probe untersucht wird. Man kann daraus schließen, welche Stoffe am Zustandekommen des Spektrums beteiligt waren. Klassische Spektroskopie: Untersuchung der Lichtemission bzw. -absorption von Molekülen und Atomen mit Hilfe von Gitter- und Prismenspektrometern entwickelt um 1860 von: GUSTAV ROBERT KIRCHHOFF ( ; dt. Physiker) + ROBERT WILHELM BUNSEN ( ; dt. Chemiker)

2 Die Entdeckung der Spektralanalyse... Jedes chemische Element nämlich sendet, durch Hitze oder sonstwie angeregt, eine Mixtur sehr reiner Lichtfarben aus oder verschluckt diese, je nach Umstand. Wird ein solcher Lichtstrahl von einem Prisma in die Einzelfarben zerlegt, entsteht auf einem Bildschirm dahinter ein Muster, ein Spektrum, dessen Analyse die sichere Bestimmung der beteiligten Elemente ermöglicht. Im November 1859 schrieb Bunsen einem Freund: "Kirchhoff hat eine wunderschöne, ganz unerwartete Entdeckung gemacht, indem er die Ursache der dunklen Linien im Sonnenspektrum aufgefunden hat. Hierdurch ist der Weg gegeben, die stoffliche Zusammensetzung der Sonne und der Fixsterne mit derselben Sicherheit nachzuweisen, mit welcher wir Schwefelsäure, Chlor usw. durch unsere Reagentien bestimmen."

3 Fraunhofer'sche Linien JOSEPH VON FRAUNHOFER ( ; dt. Optiker + Glasmacher) entdeckte, dass es im Spektrum von Sonnenlicht zahlreiche dunkle Linien gibt. Ähnliche Linien findet man auch bei der spektralen Zerlegung des Lichts anderer Sterne.

4 Elektromagnetisches Spektrum

5 Erzeugung von Spektren 2 prinzipielle Möglichkeiten: mithilfe eines Prismas weißes Licht von einer Lichtquelle auf Prisma Brechung; kurzwellige Anteile (blaues Licht) werden stärker als langwellige (rotes Licht) gebrochen Auffächerung des Lichtes unterschiedlicher Wellenlänge (Dispersion) es entsteht ein Prismenspektrum mithilfe eines optischen Gitters Beugung gebeugtes Licht überlagert sich, wobei die Lage der Interferenzmaxima auf einem Schirm von Wellenlänge abhängen es entstehen farbige Interferenzstreifen, die in ihrer Gesamtheit ein Spektrum bilden (= Gitterspektrum) Unterschied: Abfolge der Farben. Bei weißem Licht in beiden Fällen: kontinuierliches Spektrum.

6 Kontinuierliche Spektren - Linienspektren Ob durch Zerlegung von Licht ein kontinuierliches Spektrum oder ein Linienspektrum entsteht, hängt nur von der Lichtquelle ab! Kontinuierliches Spektrum: wenn das Licht von glühenden festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen unter hohem Druck ausgeht (z. B. das Licht einer Glühlampe, Sonnenoberfläche od. andere Sterne) Linienspektrum: wenn das Licht von heißen Gasen unter geringem Druck ausgeht (z. B. Leuchtstoffröhren, Hg-Dampflampen). Jedes Gas sendet ein ganz charakteristisches Spektrum aus! Damit gilt umgekehrt: Kennt man das Spektrum einer Lichtquelle, kann man daraus schließen, welche Stoffe sich in dieser Lichtquelle befinden. Das ist das Wesen der Spektralanalyse.

7 Atomspektren - Molekülspektren Für uns sichtbares Licht: wenn äußere atomare Hüllelektronen von angeregten Zuständen in Grundzustände zurückfallen. Das Anregen zur Lichtabstrahlung kann z.b. durch Hitze entstehen. Atome: es werden scharf definierte Frequenzen ausgesandt, die der Energiedifferenz zwischen angeregtem und Grundzustand entsprechen. Die freiwerdende Energie kann nicht jede beliebige Gesamtmenge haben, sondern nur in Stufen (Quanten) zu- und abnehmen. Atomspektroskopie = spektroskopische Verfahren, die auf Emissions-, Absorptions- oder Fluoreszenzvorgängen bei Atomen zurückgehen; zur Bestimmung von chemischen Elementen Moleküle: die sehr eng zusammen liegenden Atomhüllen beeinflussen sich wechselseitig Band mehrerer nahe beieinander liegender Frequenzen, die emittiert werden. Molekülspektroskopische Verfahren: Anregung und Auswertung von Rotations-, Schwingungs- und Elektronenzuständen in Molekülen Atome emittieren i.d.r. diskrete Spektren; Moleküle kontinuierliche!

8 Optische Spektren Absorption / Emission

9 Beispiel H - Spektren Wasserstoffspektrum im sichtbaren Bereich (die 4 Linien = Balmer-Serie: 410.2, 434.1, 486.1, and nm) Oben: Absorptionsspektrum Unten: Emissionsspektrum

10 Emissionslinien Jedes Atom und jedes Ion hat ein charakteristisches Linienspektrum, aus dem man es wie mit einem Fingerabdruck genau erkennen kann. Das Linienspektrum lässt eindeutige Rückschlüsse auf die Energiestufen im Atom (bzw. Ion) zu.

11 Energieniveaus im Atom Diskrete Emissionsspektrums eines Atoms Angeregte Atome senden ein diskretes Linienspektrum aus. Dies lässt sich mit der Annahme diskreter Energieniveaus im Atom verstehen. Diskrete Absorptionsspektrums eines Atoms Kontinuierliches Atomspektrum:

12 Zustandekommen von Spektren

13 Hertzsprung-Russell-Diagramm

14

15 Leuchtkraftklasse Sterntyp 0 Hyperriese I Üeberriese II heller Riese III normaler Riese IV Unterriese V Zwerg (Hauptreihenstern) VI Unterzwerg VII Weißer Zwerg

16 Spektralklassen Kl. Charakteristik Farbe Temperatur [K] O Ionis. He blau B Neutr. He, H Balmer_Serie blau-weiß A Wasserstoff, Ca weiß F Ca, Metalle weiß-gelb G Ca, Fe, and. Met. gelb K Starke Metalllinien orange M Titanoxidrot orange

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