Ein Spektroskop ist ein wissenschaftliches Instrument, das Licht in seine verschiedenen Wellenlängen aufspaltet, die der Mensch als unterschiedliche Farben wahrnimmt. Violett hat die kürzeste Wellenlänge, die Menschen sehen können, und Rot die längste. Dieses Instrument kann auch Wellenlängen identifizieren, die der Mensch nicht sehen kann, wie Infrarot- und Ultraviolettstrahlung. Licht enthält normalerweise eine Mischung verschiedener Wellenlängen; Durch deren Untersuchung können Wissenschaftler nützliche Informationen erhalten, beispielsweise die chemischen Elemente, die an der Lichtquelle vorhanden sind. Spektroskope werden häufig in der Astronomie, Chemie und anderen Bereichen verwendet.
Arten von Spektroskopen und ihre Funktionsweise
Joseph von Fraunhofer, ein deutscher Optiker, erfand das Spektroskop im Jahr 1814. In seiner frühen Form verwendete es eine Linse, um einfallendes Licht zu fokussieren, und ein Prisma, um das Licht durch Brechung zu spalten. Später ersetzte Fraunhofer das Prisma jedoch durch eine Vorrichtung, die aus einer Reihe schmaler, paralleler Schlitze besteht, die als Beugungsgitter bezeichnet werden. Dies verteilte die verschiedenen Wellenlängen des Lichts unterschiedlich stark und hatte den Vorteil, dass der Beobachter die Wellenlängen tatsächlich messen konnte, was mit einem Prisma nicht möglich war. Fraunhofer untersuchte mit seinen Spektroskopen Licht aus verschiedenen Quellen, darunter Flammen, heiße Materialien, Sonne, Planeten und Sterne.
Moderne Spektroskope gibt es je nach Verwendungszweck in verschiedenen Ausführungen. Ein einfaches Handgerät verwendet ein kleines Beugungsgitter oder Prisma und ist leicht tragbar. Es ist für den Einsatz im Feld konzipiert und kann beispielsweise zur Identifizierung von Edelsteinen und Mineralien verwendet werden. In der Astronomie wird normalerweise ein Spektroskop mit einem Teleskop verwendet, um das Licht von entfernten, schwachen Objekten zu analysieren; diese Instrumente neigen dazu, schwer und sperrig zu sein.
Es gibt andere Instrumente, die die gleiche Aufgabe wie ein Spektroskop erfüllen und nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Diese unterscheiden sich hauptsächlich in der Art und Weise, wie das Spektrum aufgenommen wird. Ein modernes Spektrometer erzeugt ein digitales Bild des Spektrums, während ein Spektrophotometer es elektronisch aufzeichnet, und ein Spektrograph ist eine allgemeinere Bezeichnung für ein Instrument, das ein Spektrum erzeugt und aufzeichnet. Diese Begriffe werden manchmal synonym verwendet und „Spektroskop“ kann jeden von ihnen beschreiben.
Einige Geräte können Spektren für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen jenseits der Grenzen des sichtbaren Lichts erzeugen. Da diese Strahlung nicht direkt beobachtet werden kann, müssen die Spektren mit speziellen Detektoren aufgenommen werden. Diese werden verwendet, um infrarote und ultraviolette Strahlung zu untersuchen.
Ein Infrarot-Spektroskop kann einen einstellbaren Monochromator verwenden, um jede interessierende Wellenlänge der Reihe nach zu isolieren, oder häufiger ein Interferometer. Dadurch wird die einfallende Strahlung in zwei Strahlen aufgespalten. Ein beweglicher Spiegel variiert die Länge eines Strahls, sodass sie beim Zusammenführen ein Interferenzmuster erzeugen. Die Analyse des Musters zeigt die verschiedenen vorhandenen Wellenlängen. Das Interferometerverfahren hat den Vorteil, alle Wellenlängen in einem Durchgang zu erfassen.
Arten von Spektrum
Stoffe, die Licht emittieren, erzeugen ein Emissionsspektrum. Heiße, glühende Festkörper – wie weißglühendes Metall – emittieren Licht bei allen Wellenlängen und erzeugen ein kontinuierliches Spektrum, in dem die Farben ineinander übergehen. Sehr heiße Gase hingegen erzeugen ein Linienspektrum, das aus farbigen Linien vor dunklem Hintergrund besteht. Denn sie emittieren Licht nur bei bestimmten Wellenlängen, abhängig von den vorhandenen chemischen Elementen.
Jedes Element hat sein eigenes einzigartiges Linienmuster. Natrium zum Beispiel erzeugt starke Linien im gelben Teil des Spektrums. Dies kann durch Einstreuen von Salz (Natriumchlorid) in eine Flamme festgestellt werden, wodurch sie eine charakteristische gelbe Farbe erhält.
Ein Absorptionsspektrum entsteht, wenn Licht bestimmter Wellenlängen von einem Gas oder einer Flüssigkeit absorbiert wird, die es durchdringt. Jedes chemische Element absorbiert nur bestimmte spezifische Wellenlängen – dieselben, die es als heißes Gas emittiert – und so können Absorptionsspektren auch zur Identifizierung von Elementen verwendet werden. Ein Absorptionsspektrum besteht aus dunklen Linien vor dem hellen Hintergrund eines kontinuierlichen Spektrums.
Die Sonne erzeugt ein kontinuierliches Spektrum mit einer Reihe von dunklen Absorptionslinien. Der Kernfusionsprozess im Kern der Sonne setzt Licht mit vielen Wellenlängen frei, aber einige davon werden von verschiedenen Elementen absorbiert, wenn das Licht an die Oberfläche gelangt, wodurch die dunklen Linien erzeugt werden. Wissenschaftler konnten auf diese Weise die chemische Zusammensetzung der Sonne bestimmen. Das auf der Erde noch nie gesehene Element Helium wurde zuerst anhand seiner Absorptionslinien im Sonnenspektrum identifiziert.
Spektroskopie in der Astronomie
Astronomen verwenden Spektroskope, um herauszufinden, welche Elemente in Sternen, in der Atmosphäre von Planeten und im interstellaren Raum vorhanden sind. Es wurde festgestellt, dass sich Sterne in ihrer Zusammensetzung unterscheiden und nach ihren Spektren klassifiziert werden können. Mit Spektroskopen konnten Forscher herausfinden, welche Elemente in den Atmosphären der anderen Planeten des Sonnensystems vorhanden sind. Astronomen können möglicherweise die Atmosphären von Exoplaneten analysieren, die andere Sterne umkreisen; würde Sauerstoff entdeckt, wäre dies ein starker Hinweis auf Leben.
Die Untersuchung des Lichts anderer Galaxien hat ergeben, dass die Spektrallinien der Elemente in den meisten Fällen zum längerwelligen, roten Ende des Spektrums verschoben sind, ein Phänomen, das als Rotverschiebung bekannt ist. Die am weitesten entfernten Galaxien zeigen die größten Rotverschiebungen, und die meisten Astronomen glauben, dass dies daran liegt, dass sich das Universum ausdehnt. Wenn der Raum zwischen zwei Objekten größer wird, wird das zwischen ihnen wandernde Licht gestreckt, was zu längeren Wellenlängen führt.
Die Spektren sehr weit entfernter Objekte, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind, werden über den Bereich des sichtbaren Lichts hinaus in den Infrarotbereich verschoben. Aus diesem Grund müssen sie mit Infrarotspektroskopie analysiert werden. Moleküle erzeugen Infrarotstrahlung mit charakteristischen Wellenlängen, wenn sie schwingen oder rotieren. Diese Methode kann daher verwendet werden, um die Moleküle zu identifizieren, die in Gaswolken vorhanden sind, die im interstellaren Raum schweben. Astronomen haben auf diese Weise Wasser, Methan und Ammoniak in Gaswolken entdeckt.
Spektroskopie in der Chemie
In der Chemie können Spektroskope die in einer Materialprobe vorhandenen Elemente identifizieren. Durch starkes Erhitzen der Probe, beispielsweise in einer Flamme, wird sie zu einem heißen, glühenden Gas, das ein Emissionslinienspektrum erzeugt. Chemiker können dies dann untersuchen, um die Elemente zu identifizieren. Diese Methode führte zur Entdeckung vieler Elemente des Periodensystems. Alternativ kann die Spektroskopie das Absorptionsspektrum einer Flüssigkeit erfassen, wenn ein Licht durch sie gestrahlt wird.
Chemiker können mit Spektroskopie sowohl chemische Verbindungen als auch Elemente identifizieren. Infrarotspektroskopie ist in dieser Hinsicht besonders nützlich und wird häufig in der organischen Chemie, Biochemie und forensischen Chemie verwendet.