Techniklexikon

Atomspektroskopie

experimentelle Methode der Atomphysik, bei der mittels der Messung der Frequenz bzw. der Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung die Lage atomarer Energieniveaus der Atomhülle und deren durch inneratomare Wechselwirkungen oder durch die Wechselwirkung mit äusseren Feldern hervorgerufene Veränderung untersucht wird. Grundlage der Atomspektroskopie ist die Tatsache, dass ein Atom durch Aufnahme bzw. durch Abgabe diskreter Energien seinen Energieeigenzustand ändern kann (Atomspektrum). Aus der Beobachtung dieser Übergangsenergien bei der atomaren Emission bzw. Absorption von elektromagnetischer Strahlung kann auf die Lage der Energieniveaus geschlossen werden.

Spektroskopische Experimente im optischen Spektralbereich waren die ersten, die Einblick in den Aufbau der Atome erlaubten. Bereits J. Fraunhofer hatte Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt, dass im Spektrum der Sonne Licht bestimmter Wellenlängen stark unterdrückt ist; er fand die nach ihm benannten Absorptionslinien, die durch Absorption bestimmter spektraler Komponenten des kontinuierlichen Sonnenlichts in der Atmosphäre der Sonne verursacht werden. Ihren eigentlichen Anfang nahm die Atomspektroskopie jedoch erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts, als Kirchhoff und Bunsen begannen, die in Flammen (z.B. von Alkaliatomen) erzeugten Spektrallinien zu untersuchen, jedoch ohne die dem Phänomen der diskreten Spektrallinien zugrunde liegenden atomaren Emissions- bzw. Absorptionsmechanismen zu kennen (Spektralanalyse). Kirchhoff formulierte 1859 das für die weitere Entwicklung sehr wichtige, nach ihm benannte Gesetz, demzufolge das Verhältnis der Leistung des emittierten Lichts zu der Leistung des bei der gleichen Wellenlänge absorbierten Lichts für alle Körper der gleichen Temperatur konstant ist.

Die ständige Verbesserung der spektralen Auflösung der verwendeten Apparaturen (Spektrometer), z.B. die Verfeinerung der Monochromatoren, ermöglichte eine immer präzisere Vermessung der Spektrallinien. Vor allem die Bestimmung der Wellenlängen der verschiedenen Spektralserien im Wasserstoff und deren Auswertung durch Balmer, Rydberg u.a. waren entscheidend für die Entwicklung der modernen Atommodelle. Auch die Aufspaltungen und Verschiebungen von Spektrallinien, wie sie z.B. durch die Hyperfeinwechselwirkung entstehen, wurden messbar. Bereits 1896 war es Zeeman gelungen, die Aufspaltung von Spektrallinien, die aufgrund der Wechselwirkung der atomaren magnetischen Momente mit einem konstanten äusseren Magnetfeld auftritt, zu messen. Das Analogon zum Zeeman-Effekt für elektrische Felder ist der 1913 für die Linien der Balmer-Serie von Wasserstoff gefundene Stark-Effekt.

Ebenfalls in den Bereich der spektroskopischen Experimente ist der 1888 von Hallwachs gefundene Photoeffekt einzuordnen, der 1905 von Einstein durch Anwendung der Planckschen Lichtquantenhypothese erklärt werden konnte.

Die wohl wichtigste Erfindung für die Spektroskopie in diesem Jahrhundert war der Laser. Vor allem die Entwicklung frequenzstabiler, durchstimmbarer Lasersysteme ermöglichte eine weitere deutliche Verbesserung der spektralen Auflösung. Gleichzeitig machte die Entwicklung gepulster Laser mit Pulslängen bis in den Femtosekundenbereich Experimente bei sehr hohen Photonenflussdichten möglich. Die Laserspektroskopie ist heute eines der bedeutendsten Arbeitsgebiete der Atomphysik. Ebenfalls in diesem Jahrhundert wurde der für spektroskopische Experimente zugängliche Frequenzbereich immer weiter ausgedehnt und reicht heute vom Radiowellenbereich über den optischen Bereich bis hin zum Röntgen- und g-Strahlungsbereich. Damit ist auch eine grosse Bandbreite atom- und kernphysikalischer Effekte zugänglich (Abb. 1).

Heute unterscheidet man prinzipiell verschiedene Methoden der Atomspektroskopie:

1) Bei der Atom-Absorptionsspektroskopie durchstrahlt man eine atomare Probe mit elektromagnetischer Strahlung und untersucht die wellenlängenabhängige Absorption der Probe.

2) Unter Atom-Emissionsspektroskopie versteht man die Untersuchung der von einem Atom emittierten elektromagnetischen Strahlung, die entsteht, wenn die Atomhülle von einem angeregten Zustand in den Grundzustand oder aber in einen anderen, energetisch tiefer liegenden angeregten Zustand übergeht.

3) Der Emission geht eine Anregung der Atome durch Strahlungsanregung oder Stossanregung voraus. Wird die Anregungsenergie der Atome in Form elektromagnetischer Strahlung abgegeben, so spricht man auch von Fluoreszenzspektroskopie. Dabei wird die Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung mit einem Spektrometer untersucht.

4) Die Anregungsenergie kann aber auch durch den Auger-Effekt auf ein Elektron übertragen werden, das dann vom Atom emittiert wird. Diese Form der Atomspektroskopie wird als Auger-Elektronenspektroskopie bezeichntet. Dabei enthält das Energiespektrum der Elektronen die Information über die atomaren Energieniveaus. Der Auger-Effekt tritt allerdings nur bei Anregung aus inneren Elektronenschalen auf.

5) In der Ionisationsspektroskopie sind die verwendeten Anregungsenergien so gross, dass Atome durch die Energieaufnahme ionisiert werden. Die bei der Ionisation entstehenden Bruchstücke können dann bezüglich ihrer kinetischen Energie untersucht werden. In den meisten Experimenten werden die Elektronen analysiert, es gibt aber auch Anwendungen, bei denen eine Untersuchung des Ionenrumpfes günstiger ist.

Das Hauptziel der Atomspektroskopie liegt in der Grundlagenforschung im Studium der Atome und ihrer Energieniveaus; in diesem Zusammenhang spielte sie eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Quantenmechanik. Besonders die Verwendung moderner Lichtquellen wie Laser und moderner Licht-, Atom- und Ionendetektoren macht die Atomspektroskopie heute zu einem wichtigen Werkzeug zur Überprüfung moderner Atomtheorien. Sie wird aber auch in verschiedenen Bereichen der angewandten Forschung und der Technik verwendet. Eine besondere Rolle spielt dabei die Elementanalyse mit spektroskopischen Mitteln, wie sie z.B. in der Umweltmesstechnik zur Spurengasanalyse verwendet werden. [SW]

Atomspektroskopie: Wellenlängenbereiche und Anwendungsgebiete.