Optische Spektroskopie ist ein Mittel zur Untersuchung der Eigenschaften physikalischer Objekte, basierend auf der Messung, wie ein Objekt Licht emittiert und mit ihm interagiert. Es kann verwendet werden, um Attribute wie die chemische Zusammensetzung, Temperatur und Geschwindigkeit eines Objekts zu messen. Sie umfasst sichtbares, ultraviolettes oder infrarotes Licht, allein oder in Kombination, und ist Teil einer größeren Gruppe spektroskopischer Techniken, die als elektromagnetische Spektroskopie bezeichnet werden. Optische Spektroskopie ist eine wichtige Technik in modernen wissenschaftlichen Bereichen wie Chemie und Astronomie.
Ein Objekt wird sichtbar, indem es Photonen emittiert oder reflektiert, und die Wellenlänge dieser Photonen hängt von der Zusammensetzung des Objekts zusammen mit anderen Eigenschaften wie der Temperatur ab. Das menschliche Auge nimmt die An- und Abwesenheit verschiedener Wellenlängen als unterschiedliche Farben wahr. Beispielsweise werden Photonen mit einer Wellenlänge von 620 bis 750 Nanometern als rot wahrgenommen, so dass ein Objekt, das hauptsächlich Photonen in diesem Bereich emittiert oder reflektiert, rot aussieht. Mit einem als Spektrometer bezeichneten Gerät kann Licht mit viel größerer Präzision analysiert werden. Diese präzise Messung – kombiniert mit dem Verständnis der unterschiedlichen Eigenschaften von Licht, das verschiedene Substanzen unter verschiedenen Bedingungen erzeugen, reflektieren oder absorbieren – ist die Grundlage der optischen Spektroskopie.
Verschiedene chemische Elemente und Verbindungen variieren aufgrund quantenmechanischer Unterschiede in den Atomen und Molekülen, aus denen sie bestehen, in der Art, wie sie Photonen emittieren oder mit ihnen interagieren. Das von einem Spektrometer gemessene Licht, nachdem das Licht vom untersuchten Objekt reflektiert, durchgelassen oder emittiert wurde, weist sogenannte Spektrallinien auf. Diese Linien sind scharfe Unstetigkeiten von Licht oder Dunkelheit im Spektrum, die eine ungewöhnlich hohe oder ungewöhnlich niedrige Anzahl von Photonen bestimmter Wellenlängen anzeigen. Verschiedene Substanzen erzeugen charakteristische Spektrallinien, mit denen sie identifiziert werden können. Diese Spektrallinien werden auch von Faktoren wie der Temperatur und Geschwindigkeit des Objekts beeinflusst, sodass diese auch mit Spektroskopie gemessen werden können. Neben der Wellenlänge können auch andere Eigenschaften des Lichts, wie beispielsweise seine Intensität, nützliche Informationen liefern.
Optische Spektroskopie kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, je nachdem, was untersucht wird. Einzelspektrometer sind spezialisierte Geräte, die sich auf die präzise Analyse bestimmter, schmaler Teile des elektromagnetischen Spektrums konzentrieren. Sie existieren daher in den unterschiedlichsten Typen für unterschiedliche Anwendungen.
Eine Hauptart der optischen Spektroskopie, die als Absorptionsspektroskopie bezeichnet wird, basiert auf der Identifizierung der Lichtwellenlängen, die eine Substanz absorbiert, indem die Photonen gemessen werden, die sie passieren lässt. Das Licht kann speziell für diesen Zweck mit Geräten wie Lampen oder Lasern erzeugt werden oder kann aus einer natürlichen Quelle wie Sternenlicht stammen. Es wird am häufigsten bei Gasen verwendet, die diffus genug sind, um mit Licht zu interagieren und es dennoch durchzulassen. Absorptionsspektroskopie ist nützlich zur Identifizierung von Chemikalien und kann verwendet werden, um Elemente oder Verbindungen in einer Mischung zu unterscheiden.
Diese Methode ist auch in der modernen Astronomie äußerst wichtig und wird häufig verwendet, um die Temperatur und die chemische Zusammensetzung von Himmelsobjekten zu untersuchen. Die astronomische Spektroskopie misst auch die Geschwindigkeit entfernter Objekte unter Ausnutzung des Doppler-Effekts. Lichtwellen eines sich auf den Beobachter zubewegenden Objekts scheinen höhere Frequenzen und damit niedrigere Wellenlängen zu haben als Lichtwellen eines relativ zum Beobachter ruhenden Objekts, während die Wellen eines sich wegbewegenden Objekts niedrigere Frequenzen zu haben scheinen. Diese Phänomene werden Blauverschiebung bzw. Rotverschiebung genannt, weil eine Erhöhung der Frequenz einer Welle sichtbaren Lichts sie in Richtung des blau/violetten Endes des Spektrums bewegt, während eine Verringerung der Frequenz sie in Richtung Rot bewegt.
Eine weitere wichtige Form der optischen Spektroskopie ist die Emissionsspektroskopie. Wenn Atome oder Moleküle durch eine äußere Energiequelle wie Licht oder Wärme angeregt werden, steigt ihr Energieniveau vorübergehend an, bevor sie in ihren Grundzustand zurückfallen. Wenn die angeregten Teilchen in ihren Grundzustand zurückkehren, geben sie die überschüssige Energie in Form von Photonen ab. Wie bei der Absorption emittieren verschiedene Substanzen Photonen unterschiedlicher Wellenlänge, die dann gemessen und analysiert werden können. Bei einer üblichen Form dieser Technik, die als Fluoreszenzspektroskopie bezeichnet wird, wird das zu analysierende Subjekt mit Licht, normalerweise ultraviolettem Licht, angeregt. Bei der Atomemissionsspektroskopie wird Feuer, Elektrizität oder Plasma verwendet.
Fluoreszenzspektroskopie wird häufig in Biologie und Medizin verwendet, da sie biologisches Material weniger schädigt als andere Methoden und weil einige organische Moleküle von Natur aus fluoreszieren. Atomabsorptionsspektroskopie wird in der chemischen Analyse verwendet und ist besonders effektiv zum Nachweis von Metallen. Verschiedene Arten der Atomabsorptionsspektroskopie werden verwendet, um beispielsweise wertvolle Mineralien in Erzen zu identifizieren, Beweise von Tatorten zu analysieren und die Qualitätskontrolle in der Metallurgie und Industrie aufrechtzuerhalten.