Molekülspektroskopie at Hochschule Fresenius

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Wie funktioniert Fluoreszenz?

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Wie funktioniert Streuung?

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Wie funktioniert Lichtbrechung?

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Was passiert bei der Absorption von elektromagnetischer Strahlung?

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Welche Anforderungen werden an die Strahlungsquelle gestellt?

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Was ist ein kontinuierlicher Strahler?
(Beispiele)

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Wie funktioniert ein Glowbar?

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Was ist ein Linienstrahler?
(Beispiele)

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Was ist ein LASER und woraus besteht er?

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Wie funktioniert ein LASER?

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Welche Anforderungen werden an Wellenlängenselektoren gestellt?

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Welche Arten von Wellenlängenselektoren gibt es?

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Molekülspektroskopie

Wie funktioniert Fluoreszenz?

- Absorption elektromagnetischer Strahlung erzeugt angeregte Zustände  

- strahlungsfreie Desaktivierung führt zu Zuständen geringerer Energie 

- Emission von Licht längerer Wellenlänge (Rotverschoben)

Molekülspektroskopie

Wie funktioniert Streuung?

- Interaktion von Licht mit Atomen, Molekülen, oder Partikeln (periodische Polarisation)

- Elastische Lichtstreuung (keine Änderung der Energie)

- Ungerichtete Emission


- Strahlung wird kurzzeitig eingefangen 

-> periodischen Polarisierung der atomaren oder molekularen Spezies

-> Fortpflanzungsgeschwindigkeit um diesen Zeitraum verlangsamt



Molekülspektroskopie

Wie funktioniert Lichtbrechung?

- an einer Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher optischer Dichte kann es zu einer Lichtbrechung kommen.

- plötzliche Richtungsänderung ergibt sich durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Strahlung in den Medien

- beim Übergang von einem weniger dichten in ein dichteres Medium erfolgt die Brechung hin zur Normalen ansonsten von der Normalen weg

- optische Dichte (oft auch als Brechungsindex bezeichnet) ist wellenlängenabhängig

- verschiedene Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen und es kann zu einer Aufspaltung des Lichtes nach seiner Wellenlänge kommen (Dispersion)

- an zwei Grenzflächen mit unterschiedlicher optischer Dichte tritt immer Reflexion auf

- je flacher der Winkel und je größer der Unterschied in der optischen Dichte je größer der Anteil der Reflexion

Molekülspektroskopie

Was passiert bei der Absorption von elektromagnetischer Strahlung?

- bei der Absorption elektromagnetischer Strahlung muss die Energie des absorbierten Photons exakt der Differenz zwischen verschiedenen Zuständen der absorbierenden Materie entsprechen (stimmt für die meisten Spektroskopie Arten) 

- Nur Übergänge zwischen bestimmten Energieniveaus sind erlaubt (Übergänge sind gequantelt)

- je nach Energie der absorbierten Photonen werden verschiedene Übergänge angeregt

Molekülspektroskopie

Welche Anforderungen werden an die Strahlungsquelle gestellt?

Eine Strahlungsquelle muss:

- elektromagnetische Strahlung mit ausreichender Leistung erzeugen

- eine zeitlich stabile Ausgangsleistung aufweisen

- den relevanten Spektralbereich abdecken (kontinuierliche Strahler)

- eine möglichst konstante Intensität über den relevanten Spektralbereich besitzen

Molekülspektroskopie

Was ist ein kontinuierlicher Strahler?
(Beispiele)

- emittieren elektromagnetische Strahlung deren Intensität sich mit der Wellenlänge nur langsam ändert

- decken einen weiten Wellenlängenbereich ab 

- sind besonders in der Fluoreszenz- und Absorptionsspektroskopie (IR und UV/Vis) weit verbreitet

Beispiele:

- Deuteriumlampen

- Wolframlampen

- Nernststift

- Glowbar

Molekülspektroskopie

Wie funktioniert ein Glowbar?

- Zylinder bestehend Siliciumcarbid (SiC)

- wird elektrisch auf 1300 – 1500 K erhitzt, allerdings ist zu Beginn keine externe Beheizung erforderlich

- Spektrum ähnelt dem eines Schwarzen Strahlers (Schwarzkörperstrahlung)

- Spektrum eines Glowbars ist weitgehend mit dem eines Nernststiftes vergleichbar

Molekülspektroskopie

Was ist ein Linienstrahler?
(Beispiele)

- emittieren wenige diskrete Linien mit (meist) hoher Intensität. Sie sind weit verbreitet in der Atomabsorptions- Fluoreszenz- und Ramanspektroskopie

Beispiele:

- Metalldampflampen

- Hohlkathodenlampen (Atomabsorptionsspektroskopie)

- Elektrodenlose Entladungslampen (Atomabsorptionsspektroskopie)

- Laser (!)

Molekülspektroskopie

Was ist ein LASER und woraus besteht er?

- Laser steht für „light amplification by stimulated emission of radiation“ 

- Laserstrahlung besitzt eine besonders hohe Intensität

- schmale Bandbreite 

- ist kohärent 

-> Auslenkung ändert sich zeitlich bis auf exakt definierte Phasenverschiebung auf die selbe Weise

-> Bedingungen: identische Frequenz und Wellenlänge sowie eine zeitlich konstante Phasenbeziehung


Lasermedium: 

- kann ein Kristall (z.B. Rubin), ein Halbleiter (z.B. Galliumarsenid), eine organische Farbstofflösung oder ein Gas (z.B. Argon) sein

- Lasermedium bestimmt die Wellenlänge des Lasers


Pumpquelle: 

- regt Elektronen im Lasermedium auf ein höheres Energieniveau an

- kann durch elektrische, chemische oder Strahlungsenergie erfolgen

Molekülspektroskopie

Wie funktioniert ein LASER?

1. Optisches Pumpen

- Anregung durch elektrische, chemische oder Strahlungsenergie

- teilweise Relaxation (Wärmeabgabe) führt zu metastabilen angeregten Zuständen

2. Spontane Emission

- spontane Relaxation führt zu ungerichteter Emission

3. Stimulierte Emission

- stimulierte Emission wird durch Zusammenstöße eines spontan emittierten Photons mit einem angeregten Teilchen erzeugt

- durch stimulierte Emission erzeugte Photonen sind phasengleich und wandern in die gleiche Richtung wie die anregenden Photonen

4. Absorption

- Absorption konkurriert mit der stimulierten Emission

- da sich durch das optische Pumpen weit mehr Elektronen im Angeregten Zustand (Besetzungsumkehr) befinden, dominiert der strahlungsverstärkende Effekt der stimulierten Emission

Molekülspektroskopie

Welche Anforderungen werden an Wellenlängenselektoren gestellt?

Ein Wellenlängenselektor muss:

- eine möglichst schmale, kontinuierliche Bande (enger Wellenlängenbereich) erzeugen

- eine möglichst hohe Transmission für diesen Wellenlängenbereich ermöglichen

- oder (!) das einfallende Licht möglichst exakt und genau definiert in seine einzelnen Wellenlängen aufspalten

Molekülspektroskopie

Welche Arten von Wellenlängenselektoren gibt es?

Prinzipiell werden drei Arten von Wellenlängenselektoren eingesetzt:

- Filter:

    -  selektieren einen fixen Wellenlängenbereich

    - wird ein anderer Wellenlängenbereich benötigt muss der Filter gewechselt werden

    - die gebräuchlichsten Filter sind Absorptions- und Interferenzfilter

- Monochromatoren:    

    - sind dazu in der Lage den spektralen Bereich abzutasten 

    - enge Wellenlängenbereiche schnell nacheinander zu betrachten 

- Interferometer: 

    Interferometer ermöglichen die parallele Messung aller Wellenlängen (in einem bestimmten Bereich). Die Wellenlängen werden durch Interferenz unterschieden

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