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optische_spektroskopie

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optische_spektroskopie [2009/04/10 14:09] – created braunoptische_spektroskopie [2009/04/10 15:07] (current) – braun
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 // Licht entsteht beim Übergang angeregter Zustände der Elektronenhülle von Atomen, Molekülen oder Festkörpern in energetisch tiefer liegende Zustände oder den Grundzustand. Als Spektrum bezeichnet man die Zusammensetzung des Lichts nach Intensität und Wellenlänge bzw. Frequenz (Abb. 1). Freie Atome (z.B. in Gasen) emittieren eine relativ geringe Anzahl ganz bestimmter Frequenzen (Linien, Linienspektrum). Bei Molekülen ist die Zahl der Linien wesentlich größer. Bei Festkörpern können die Linien so dicht liegen, dass sich ein quasi-kontinuierliches Spektrum ergibt. Die Spektren sind charakteristisch für die emittierenden oder absorbierenden Systeme, und die Untersuchung der Spektren (Spektroskopie) liefert Informationen über deren Aufbau und Struktur. In den Anwendungen ist die optische Spektroskopie ein wichtiges Hilfsmittel zur Identifizierung von Substanzen (Spektralanalyse). Einen starken Aufschwung erlebte die optische Spektroskopie durch den Einsatz von Laser-Lichtquellen.// // Licht entsteht beim Übergang angeregter Zustände der Elektronenhülle von Atomen, Molekülen oder Festkörpern in energetisch tiefer liegende Zustände oder den Grundzustand. Als Spektrum bezeichnet man die Zusammensetzung des Lichts nach Intensität und Wellenlänge bzw. Frequenz (Abb. 1). Freie Atome (z.B. in Gasen) emittieren eine relativ geringe Anzahl ganz bestimmter Frequenzen (Linien, Linienspektrum). Bei Molekülen ist die Zahl der Linien wesentlich größer. Bei Festkörpern können die Linien so dicht liegen, dass sich ein quasi-kontinuierliches Spektrum ergibt. Die Spektren sind charakteristisch für die emittierenden oder absorbierenden Systeme, und die Untersuchung der Spektren (Spektroskopie) liefert Informationen über deren Aufbau und Struktur. In den Anwendungen ist die optische Spektroskopie ein wichtiges Hilfsmittel zur Identifizierung von Substanzen (Spektralanalyse). Einen starken Aufschwung erlebte die optische Spektroskopie durch den Einsatz von Laser-Lichtquellen.//
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 +{{:ops_abb1_spektren.png|}}
  
 Abb. 1 Beispiele optischer Spektren Abb. 1 Beispiele optischer Spektren
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 Der Ablenkwinkel an einem Prisma ist neben dem Brechungsindex auch von der Richtung des einfallenden Lichtstrahls abhängig; er lässt sich aus dem Brechungsgesetz berechnen. Besonders einfache Verhältnisse erhält man, wenn der Lichtstrahl das Prisma symmetrisch durchläuft; so dass sich gleiche Ein- und Ausfallwinkel an den Grenzflächen ergeben (Abb. 2). Der Gesamt-Ablenkwinkel <m>gamma</m> wird in diesem Falle minimal (Minimal- Der Ablenkwinkel an einem Prisma ist neben dem Brechungsindex auch von der Richtung des einfallenden Lichtstrahls abhängig; er lässt sich aus dem Brechungsgesetz berechnen. Besonders einfache Verhältnisse erhält man, wenn der Lichtstrahl das Prisma symmetrisch durchläuft; so dass sich gleiche Ein- und Ausfallwinkel an den Grenzflächen ergeben (Abb. 2). Der Gesamt-Ablenkwinkel <m>gamma</m> wird in diesem Falle minimal (Minimal-
 ablenkung). Geometrisch ergibt sich aus Abb. 2: ablenkung). Geometrisch ergibt sich aus Abb. 2:
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 +{{:ops_abb2_prisma.jpg|}}
  
 Abb. 2 :  Lichtbrechung an einem Prisma Abb. 2 :  Lichtbrechung an einem Prisma
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 <m 14> <m 14>
-(2)     gamma=2(alpha-beta) bzw. alpha=(gamma+epsilon)/2+(2)     gamma=2(alpha-beta)  
 +</m> 
 +            bzw. 
 +<m 14> 
 +(3)         alpha=(gamma+epsilon)/2
 </m> </m>
  
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 <m 14> <m 14>
-(3)    sin alpha/sin beta=c_0/c_p=n_p/n_0   +(4)    (sin alpha)/(sin beta)=c_0/c_p=n_p/n_0   
 </m>   </m>  
            bzw.            bzw.
 <m 14> <m 14>
-(4)    n_p=n_0 (sin((gamma+epsilon)/2)/sin(epsilon/2),+(5)    n_p=n_0 sin((gamma+epsilon)/2) 
 + 
 +/(sin epsilon/2),
 </m> </m>
  
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 <m 14> <m 14>
-(5) d sin(alpha)=n lambda (n=0,1,2,....).+(6) d sin(alpha)=n lambda (n=0,1,2,....).
 </m> </m>
  
 Da die Richtung (Beugungswinkel <m>alpha</m>) der Interferenzmaxima nach (3) von der Wellenlänge abhängt, kann mit einem Gitter das Licht in seine spektralen Anteile zerlegt werden. Dabei treten Wiederholungen der zu einer Farbe (Wellenlänge) gehörenden Interferenzmaxima entsprechend der Folge der Laufzahl n auf, die als Interferenzmaxima der n-ten Ordnung bezeichnet werden. Da die Richtung (Beugungswinkel <m>alpha</m>) der Interferenzmaxima nach (3) von der Wellenlänge abhängt, kann mit einem Gitter das Licht in seine spektralen Anteile zerlegt werden. Dabei treten Wiederholungen der zu einer Farbe (Wellenlänge) gehörenden Interferenzmaxima entsprechend der Folge der Laufzahl n auf, die als Interferenzmaxima der n-ten Ordnung bezeichnet werden.
 Zur experimentellen Realisation wird die Beobachtungsebene durch eine Sammellinse in das Endliche verlagert, wobei die Lichtstrahlen in der Brennebene der Linse vereinigt werden (Abb. 3), zur Erklärung der physikalischen Situation trägt die Linse aber nicht bei. Zur experimentellen Realisation wird die Beobachtungsebene durch eine Sammellinse in das Endliche verlagert, wobei die Lichtstrahlen in der Brennebene der Linse vereinigt werden (Abb. 3), zur Erklärung der physikalischen Situation trägt die Linse aber nicht bei.
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 +{{:ops_abb3_gitter.jpg|}}
  
 Abb. 3 Beugung und Interferenz an einem Gitter. Abb. 3 Beugung und Interferenz an einem Gitter.
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 Zur quantitativen Messung der Ablenkung an einem Prisma oder einem Gitter ist paralleles Licht definierter Richtung erforderlich, das mit einem Kollimator erzeugt wird. Er besteht z.B. aus einer Sammellinse, in dessen Brennpunkt ein Spalt aufgestellt wird (Abb. 4). Der Spalt wird beleuchtet und stellt so eine (in einer Raumebene) punktförmige Lichtquelle dar. Zur Beobachtung des parallelen Lichtes wird ein auf unendlich eingestelltes Fernrohr benutzt, das den Spalt zunächst in die Brennebene des Fernrohrobjektivs (Zwischenbildebene) abbildet und in der es mit einem Okular (Lupe) vergrößert betrachtet wird. In der Zwischenbildebene ist zur Festlegung der Beobachtungsrichtung zusätzlich ein Fadenkreuz angebracht. Das Fernrohr ist schwenkbar um den Prismen- bzw. Gittertisch. Die Beobachtungsrichtung des Fernrohrs kann an einer Winkelskala mit Nonius abgelesen werden. Zur quantitativen Messung der Ablenkung an einem Prisma oder einem Gitter ist paralleles Licht definierter Richtung erforderlich, das mit einem Kollimator erzeugt wird. Er besteht z.B. aus einer Sammellinse, in dessen Brennpunkt ein Spalt aufgestellt wird (Abb. 4). Der Spalt wird beleuchtet und stellt so eine (in einer Raumebene) punktförmige Lichtquelle dar. Zur Beobachtung des parallelen Lichtes wird ein auf unendlich eingestelltes Fernrohr benutzt, das den Spalt zunächst in die Brennebene des Fernrohrobjektivs (Zwischenbildebene) abbildet und in der es mit einem Okular (Lupe) vergrößert betrachtet wird. In der Zwischenbildebene ist zur Festlegung der Beobachtungsrichtung zusätzlich ein Fadenkreuz angebracht. Das Fernrohr ist schwenkbar um den Prismen- bzw. Gittertisch. Die Beobachtungsrichtung des Fernrohrs kann an einer Winkelskala mit Nonius abgelesen werden.
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 +{{:ops_abb4_spektrometer.jpg|}}
  
 Abb. 4: Aufbau des Spektrometers Abb. 4: Aufbau des Spektrometers
optische_spektroskopie.1239365369.txt.gz · Last modified: 2009/04/10 14:09 by braun
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