Spektroskopie

Die Spektroskopie ist das Forschungsgebiet, das elektromagnetische Spektren in Wechselwirkung mit Materie misst und interpretiert. ^{[ 1 ]} Im engeren Sinne ist die Spektroskopie die präzise Untersuchung von Farbe , allgemein vom sichtbaren Licht bis hin zu allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums.

Die Spektroskopie, vor allem im elektromagnetischen Spektrum, ist ein grundlegendes Erkundungsinstrument in den Bereichen Astronomie , Chemie , Materialwissenschaft und Physik. Sie ermöglicht die Untersuchung der Zusammensetzung, der physikalischen und elektronischen Struktur von Materie auf atomarer, molekularer und makroskopischer Ebene sowie über astronomische Distanzen hinweg .

Historisch gesehen entstand die Spektroskopie aus der Untersuchung der Wellenlängenabhängigkeit der Absorption von sichtbarem Licht durch gasförmige Materie, das mithilfe eines Prismas gebrochen wurde . Zu den heutigen Anwendungen der Spektroskopie zählen die biomedizinische Spektroskopie in den Bereichen Gewebeanalyse und medizinische Bildgebung . Materiewellen und akustische Wellen können als Formen von Strahlungsenergie betrachtet werden, und kürzlich wurden Gravitationswellen im Kontext des Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatoriums (LIGO) mit einer spektralen Signatur in Verbindung gebracht. ^{[ 2 ]}

Die Spektroskopie ist ein Wissenschaftszweig, der sich mit den Spektren elektromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge oder Frequenz befasst. Diese werden mithilfe spektrographischer Geräte und anderer Techniken gemessen , um Informationen über die Struktur und die Eigenschaften von Materie zu gewinnen. ^{[ 3 ]} Spektralmessgeräte werden als Spektrometer , Spektrophotometer , Spektrographen oder Spektralanalysatoren bezeichnet . Die meisten spektroskopischen Analysen im Labor beginnen mit einer zu untersuchenden Probe. Eine Lichtquelle wird durch einen Monochromator geleitet , um die Farben räumlich zu trennen, bevor ein ausgewähltes Frequenzband die Probe durchdringt. Das emittierte Licht wird anschließend von einer Fotodiode erfasst . ^{[ 4 ]} Für astronomische Zwecke muss das Teleskop mit einer Lichtdispersionsvorrichtung ausgestattet sein . ^{[ 5 ]} Es gibt verschiedene Varianten dieses Grundaufbaus.

Die Spektroskopie begann mit Isaac Newtons Lichtspaltung mithilfe eines Prismas – ein Schlüsselmoment in der Entwicklung der modernen Optik . ^{[ 6 ]} Ursprünglich befasste man sich daher mit dem sichtbaren Licht , das wir als Farbe bezeichnen . Nach den Beiträgen von James Clerk Maxwell umfasste die Spektroskopie später das gesamte elektromagnetische Spektrum . ^{[ 7 ]} Obwohl Farbe in der Spektroskopie eine Rolle spielt, ist sie nicht gleichzusetzen mit der Absorption und Reflexion bestimmter elektromagnetischer Wellen, die Objekten oder Elementen Farbe verleihen. Vielmehr beruht die Spektroskopie auf der Aufspaltung von Licht durch ein Prisma, ein Beugungsgitter oder ein ähnliches Instrument, um ein spezifisches Linienmuster, das sogenannte Spektrum, darzustellen, das für jedes Element oder Molekül einzigartig ist. Die meisten Elemente werden zunächst in den gasförmigen Zustand versetzt, um die Spektren untersuchen zu können. Heute stehen jedoch auch andere Methoden für verschiedene Aggregatzustände zur Verfügung . Jedes Element, das von einem prismenartigen Instrument gebeugt wird, zeigt entweder ein Absorptions- oder ein Emissionsspektrum, je nachdem, ob das Element gekühlt oder erhitzt wird. ^{[ 8 ]}

Bis vor Kurzem umfasste die gesamte Spektroskopie die Untersuchung von Linienspektren, und die meisten spektroskopischen Verfahren basieren noch immer darauf. ^{[ 9 ]} Die Schwingungsspektroskopie ist der Teilbereich der Spektroskopie, der die durch Molekülschwingungen verursachten Spektren untersucht. ^{[ 10 ]} Neuere Entwicklungen in der Spektroskopie können jedoch teilweise auf die Dispersionsmethode verzichten. In der biochemischen Spektroskopie lassen sich Informationen über biologisches Gewebe mittels Absorptions- und Lichtstreuungstechniken gewinnen. Die Lichtstreuungsspektroskopie ist eine Form der Reflexionsspektroskopie, die Gewebestrukturen durch die Untersuchung der elastischen Streuung bestimmt. ^{[ 11 ]} In diesem Fall fungiert das Gewebe selbst als Beugungs- oder Dispersionsmechanismus.

Spektroskopische Untersuchungen waren zentral für die Entwicklung der Quantenmechanik . Die ersten brauchbaren quantenmechanischen Atommodelle, darunter das Bohrsche Atommodell , die Schrödingergleichung und die Matrizenmechanik , reproduzierten die Spektrallinien des Wasserstoffs . Diese Modelle setzten diskrete Quantensprünge des gebundenen Elektrons im Wasserstoffatom mit dem diskreten Wasserstoffspektrum gleich. Max Plancks Erklärung der Schwarzkörperstrahlung bezog die Spektroskopie mit ein, da er die Wellenlänge des Lichts mithilfe eines Photometers mit der Temperatur eines Schwarzen Körpers verglich . ^{[ 12 ]} Die Spektroskopie findet Anwendung in der physikalischen und analytischen Chemie, da Atome und Moleküle einzigartige Spektren besitzen. Diese Spektren ermöglichen es, Informationen über Atome und Moleküle zu erfassen, zu identifizieren und zu quantifizieren.

Die Spektroskopie findet Anwendung in der Astronomie und der Fernerkundung auf der Erde. Die meisten Forschungsteleskope sind mit Spektrographen ausgestattet. Die gemessenen Spektren dienen der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften astronomischer Objekte , wie beispielsweise ihrer Temperatur , Elementhäufigkeiten, Geschwindigkeit , Rotation, ihres Magnetfelds und vielem mehr. ^{[ 13 ]} Ein wichtiger Anwendungsbereich der Spektroskopie liegt in der Biochemie. Molekulare Proben können zur Identifizierung von Spezies und zur Bestimmung ihres Energiegehalts analysiert werden. ^{[ 14 ]}

Die grundlegende Annahme der Spektroskopie ist, dass Licht aus verschiedenen Wellenlängen besteht und jede Wellenlänge einer bestimmten Frequenz entspricht. Die Bedeutung der Spektroskopie liegt darin begründet, dass jedes Element im Periodensystem ein einzigartiges Lichtspektrum besitzt, das durch die Frequenzen des emittierten oder absorbierten Lichts beschrieben wird. Diese Frequenzen erscheinen bei der Beugung des Lichts stets im selben Bereich des elektromagnetischen Spektrums. ^{[ 15 ]} Dies eröffnete ein völlig neues Forschungsfeld, das sich mit allem befasst, was Atome enthält. Die Spektroskopie ist der Schlüssel zum Verständnis der atomaren Eigenschaften aller Materie. Dadurch hat sie zahlreiche neue, noch unentdeckte Teilgebiete der Wissenschaft erschlossen. Die Erkenntnis, dass jedes Element seine einzigartige spektrale Signatur besitzt, ermöglichte den Einsatz der Spektroskopie in einer Vielzahl von Bereichen, die jeweils ein spezifisches Ziel verfolgen und mit unterschiedlichen spektroskopischen Verfahren erreicht werden. Das Nationale Institut für Standards und Technologie ( NIST) unterhält eine öffentlich zugängliche Datenbank für Atomspektren, die kontinuierlich mit präzisen Messungen aktualisiert wird. ^{[ 16 ]}

Mit einem Absorptionsspektrophotometer wird der Absorptionsgrad einer Lichtquelle mithilfe des Lambert-Beer-Gesetzes bestimmt : Dabei ist die Lichtintensität vor dem Durchgang durch die Probe, die Ausgangsintensität, der Extinktionskoeffizient, die Weglänge durch die Probe und die Konzentration der Probe. Der Extinktionskoeffizient hängt von der gewählten Wellenlänge und dem untersuchten Molekül ab. ^{[ 4 ]}$${\displaystyle \ln \left({\frac {I_{0}}{I}}\right)=\varepsilon \ell c}$$${\displaystyle I_{0}}$${\displaystyle I}$${\displaystyle \varepsilon }$${\displaystyle \ell }$${\displaystyle c}$

Frequenzresonanzen wurden erstmals in mechanischen Systemen wie Pendeln charakterisiert , deren Schwingungsfrequenz bereits von Galilei ^{[ 17 ]} beschrieben wurde . In quantenmechanischen Systemen entspricht die Resonanz der Kopplung zweier stationärer quantenmechanischer Zustände eines Systems, beispielsweise zweier Atomorbitale , durch eine oszillatorische Energiequelle wie ein Photon . Die Kopplung der beiden Zustände ist am stärksten, wenn die Energie der Quelle der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen entspricht. Das heißt, ein Photon mit der passenden Energie regt mit größerer Wahrscheinlichkeit ein Elektron zum Sprung zwischen zwei Orbitalen an – ein Vorgang, der als Elektronenanregung bezeichnet wird . Die Energie E eines Photons ist mit seiner Frequenz ν über E = hν verknüpft , wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist ^{[ 18 ].} Daher weist das Spektrum der Systemantwort in Abhängigkeit von der Photonenfrequenz ein Maximum bei der Resonanzfrequenz bzw. -energie auf.

Jeder Bereich des elektromagnetischen Spektrums, vom Infrarot- bis zum Ultraviolettbereich, kann zur Analyse einer Probe genutzt werden und liefert Wissenschaftlern Informationen über verschiedene Eigenschaften derselben Probe. Diese Entdeckung führte zu einer Erweiterung des Gebiets der Spektroskopie. In der chemischen Analyse zählen beispielsweise Atomspektroskopie, Infrarotspektroskopie, UV- und sichtbare Spektroskopie, Raman-Spektroskopie und Kernspinresonanz zu den gebräuchlichsten Spektroskopieverfahren . ^{[ 19 ]} Bei der Kernspinresonanz (NMR) beruht die Theorie darauf, dass die Frequenz analog zur Resonanzfrequenz ist .

Die Spektroskopie ist ein so breites Feld, dass zahlreiche Teildisziplinen existieren, von denen jede zahlreiche Anwendungen spezifischer spektroskopischer Techniken aufweist. Die verschiedenen Anwendungen und Techniken lassen sich auf verschiedene Weise klassifizieren.

Die verschiedenen Arten der Spektroskopie unterscheiden sich durch die Art der an der Wechselwirkung beteiligten Strahlungsenergie. In vielen Anwendungen wird das Spektrum durch Messung von Änderungen der Intensität oder Frequenz dieser Energie bestimmt. Zu den untersuchten Strahlungsenergien gehören:

• Elektromagnetische Strahlung war die erste Energiequelle, die für spektroskopische Untersuchungen genutzt wurde. Techniken, die elektromagnetische Strahlung verwenden, werden typischerweise nach dem Wellenlängenbereich des Spektrums klassifiziert und umfassen Mikrowellen- , ^{[ 21 ]} Terahertz- , ^{[ 22 ]} Infrarot- , ^{[ 23 ]} Nahinfrarot- , ^{[ 24 ]} Ultraviolett- ^sichtbare , ^{[ 25 ]} Röntgen- [ ^{26 ]} und Gammaspektroskopie . ^{[ 27 ]}
• Teilchen können aufgrund ihrer De-Broglie-Wellen eine Quelle von Strahlungsenergie sein. ^{[ 28 ]} Sowohl Elektronen- ^{[ 29 ]} als auch Neutronenspektroskopie werden eingesetzt. ^{[ 26 ]} Die kinetische Energie eines Teilchens bestimmt seine Wellenlänge. ^{[ 28 ]}
• Die akustische Spektroskopie nutzt abgestrahlte Druckwellen. ^{[ 30 ]}
• Mithilfe der dynamisch-mechanischen Analyse kann Festkörpern Strahlungsenergie, ähnlich akustischen Wellen, zugeführt werden. ^{[ 31 ]}

Die verschiedenen Arten der Spektroskopie lassen sich anhand der Art der Wechselwirkung zwischen der Energie und dem Material unterscheiden. Zu diesen Wechselwirkungen gehören: ^{[ 32 ]}

• Absorptionsspektroskopie : Absorption tritt auf, wenn Energie einer Strahlungsquelle von einem Material absorbiert wird. Die Absorption wird häufig durch Messung des Anteils der durchgelassenen Energie bestimmt, wobei die Absorption den transmittierten Anteil verringert.
• Emissionsspektroskopie : Emission zeigt an, dass ein Material Strahlungsenergie abgibt. Das Schwarzkörperspektrum eines Materials ist ein spontanes Emissionsspektrum, das von seiner Temperatur abhängt. Diese Eigenschaft kann im Infrarotbereich mit Instrumenten wie dem atmosphärischen Emissionsstrahlungsinterferometer gemessen werden. ^{[ 33 ]} Emission kann auch durch andere Energiequellen wie Flammen , Funken , Lichtbögen oder, im Falle von Fluoreszenz, elektromagnetische Strahlung induziert werden .
• Elastische Streuung und Reflexionsspektroskopie bestimmen, wie einfallende Strahlung von einem Material reflektiert oder gestreut wird. Die Kristallographie nutzt die Streuung hochenergetischer Strahlung, wie Röntgenstrahlen und Elektronen, um die Anordnung von Atomen in Proteinen und Festkörperkristallen zu untersuchen.
• Impedanzspektroskopie , wobei die Impedanz die Fähigkeit eines Mediums ist, die Transmission von Energie zu behindern oder zu verlangsamen. ^{[ 34 ]} Für optische Anwendungen wird diese durch den Brechungsindex charakterisiert .
• Inelastische Streuphänomene beinhalten einen Energieaustausch zwischen Röntgenstrahlung und Materie, der die Wellenlänge der gestreuten Strahlung verschiebt. Dazu gehören die Raman- und die Compton-Streuung . ^{[ 35 ]}
• Kohärente oder Resonanzspektroskopie sind Techniken, bei denen die Strahlungsenergie zwei Quantenzustände des Materials in einer kohärenten Wechselwirkung koppelt, die durch das Strahlungsfeld aufrechterhalten wird. Die Kohärenz kann durch andere Wechselwirkungen, wie Teilchenkollisionen und Energietransfer, gestört werden und erfordert daher häufig Strahlung hoher Intensität. Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) ist eine weit verbreitete Resonanzmethode, und ultraschnelle Laserspektroskopie ist im Infrarot- und sichtbaren Spektralbereich möglich.
• Die Kernspektroskopie umfasst Methoden, die die Eigenschaften spezifischer Atomkerne nutzen, um die lokale Struktur in Materie, hauptsächlich in kondensierter Materie , Molekülen in Flüssigkeiten oder gefrorenen Flüssigkeiten und Biomolekülen, zu untersuchen .
• Die Quantenlogik-Spektroskopie ist eine gängige Technik in Ionenfallen , die die präzise Spektroskopie von Ionen mit internen Strukturen ermöglicht, welche Laserkühlung , Zustandsmanipulation und Detektion ausschließen. ^{[ 36 ]} Quantenlogische Operationen ermöglichen es einem steuerbaren Ion, Informationen mit einem mitgefangenen Ion auszutauschen, dessen elektronische Struktur komplex oder unbekannt ist.

Spektroskopische Untersuchungen sind so konzipiert, dass die Strahlungsenergie mit spezifischen Materiearten interagiert. Diese Untersuchungen lassen sich in drei Hauptkategorien unterteilen: ^{[ 37 ]} Elektronenspektroskopie , die den Übergang von Elektronen zwischen verschiedenen Energiezuständen durch Absorption oder Emission von sichtbarem oder ultraviolettem Licht misst; vibronische Spektroskopie von Molekülen, die durch Absorption von Infrarotstrahlung induziert wird; und Rotationsspektroskopie von Molekülen, die durch Mikrowellenenergie hervorgerufen wird. ^{[ 38 ]} Die beiden letztgenannten können zur Rotations-Vibrations-Spektroskopie eines Gases kombiniert werden.

Die Atomspektroskopie war die erste Anwendung der Spektroskopie. Atomabsorptions- und Atomemissionsspektroskopie nutzen sichtbares und ultraviolettes Licht. Diese Absorptionen und Emissionen, oft als atomare Spektrallinien bezeichnet, beruhen auf elektronischen Übergängen von Außenelektronen beim Wechsel zwischen verschiedenen Elektronenbahnen. Atome besitzen charakteristische Röntgenspektren, die auf die Anregung von Innenelektronen in angeregte Zustände zurückzuführen sind.

Atome verschiedener Elemente besitzen unterschiedliche Spektren. Daher ermöglicht die Atomspektroskopie die Identifizierung und Quantifizierung der Elementzusammensetzung einer Probe. Nachdem Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff das Spektroskop erfunden hatten, entdeckte Bunsen Cäsium und Rubidium durch die Beobachtung ihrer Emissionsspektren. ^{[ 39 ]} Atomare Absorptionslinien werden im Sonnenspektrum beobachtet und nach ihrem Entdecker als Fraunhofer-Linien bezeichnet. ^{[ 40 ]} Eine umfassende Erklärung des Wasserstoffspektrums war ein früher Erfolg der Quantenmechanik ^{[ 41 ]} und erklärte die im Wasserstoffspektrum beobachtete Lamb-Verschiebung ^{[ 42 ]} , was wiederum zur Entwicklung der Quantenelektrodynamik führte .

Moderne Anwendungen der Atomspektroskopie zur Untersuchung von Übergängen im sichtbaren und ultravioletten Bereich umfassen die Flammenemissionsspektroskopie , die induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektroskopie ^{[ 43 ]} , die Glimmentladungsspektroskopie ^{[ 44 ]} , die mikrowelleninduzierte Plasmaspektroskopie ^{[ 45 ]} und die Funken- oder Bogenemissionsspektroskopie ^{[ 46 ]} . Techniken zur Untersuchung von Röntgenspektren umfassen die Röntgenspektroskopie ^{[ 26 ]} und die Röntgenfluoreszenzspektroskopie ^{[ 47 ]} .

Die Kombination von Atomen zu Molekülen führt zur Entstehung einzigartiger Energiezustände und somit zu einzigartigen Spektren der Übergänge zwischen diesen Zuständen. Molekülspektren lassen sich durch Elektronenspinzustände ( Elektronenparamagnetische Resonanz ), Molekülrotationen , Molekülschwingungen und elektronische Zustände gewinnen. Rotationen sind kollektive Bewegungen der Atomkerne und führen typischerweise zu Spektren im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich. Rotationsspektroskopie und Mikrowellenspektroskopie sind synonym. Schwingungen sind Relativbewegungen der Atomkerne und werden mittels Infrarot- und Raman-Spektroskopie untersucht . Elektronische Anregungen werden mit sichtbarer und ultravioletter Spektroskopie sowie Fluoreszenzspektroskopie analysiert . ^{[ 32 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

Studien auf dem Gebiet der Molekülspektroskopie führten zur Entwicklung des ersten Masers und trugen zur nachfolgenden Entwicklung des Lasers bei .

Die Kombination von Atomen oder Molekülen zu Kristallen oder anderen ausgedehnten Strukturen führt zur Bildung zusätzlicher Energiezustände. Diese Zustände sind zahlreich und weisen daher eine hohe Zustandsdichte auf. Diese hohe Dichte führt häufig zu schwächeren und weniger ausgeprägten, d. h. breiteren Spektren. Beispielsweise beruht die Schwarzkörperstrahlung auf den thermischen Bewegungen von Atomen und Molekülen in einem Material. Auch akustische und mechanische Reaktionen sind auf kollektive Bewegungen zurückzuführen. Reine Kristalle hingegen können ausgeprägte Spektralübergänge aufweisen, und die Kristallstruktur beeinflusst die beobachteten Molekülspektren. Die regelmäßige Gitterstruktur von Kristallen streut Röntgenstrahlen ^{[ 52 ]} , Elektronen ^{[ 53 ]} oder Neutronen ^{[ 54 ]} und ermöglicht so kristallographische Untersuchungen.

Atomkerne besitzen unterschiedliche Energiezustände, die weit voneinander entfernt sind und zu Gammastrahlenspektren führen . Unterschiedliche Kernspinzustände können durch ein Magnetfeld energetisch getrennt werden, was die Kernspinresonanzspektroskopie ermöglicht . ^{[ 55 ]}

Andere Arten der Spektroskopie unterscheiden sich durch spezifische Anwendungen oder Implementierungen:

• Die akustische Resonanzspektroskopie basiert hauptsächlich auf Schallwellen im hörbaren und Ultraschallbereich . ^{[ 56 ]}
• Die Auger-Elektronen-Spektroskopie ist eine Methode zur Untersuchung von Materialoberflächen im Mikrobereich. Sie wird häufig in Verbindung mit der Elektronenmikroskopie eingesetzt. ^{[ 57 ]}
• Die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie ermöglicht die Messung der absoluten optischen Extinktion von Proben, die Licht streuen und absorbieren . ^{[ 58 ]}
• Die Zirkulardichroismus- Spektroskopie misst die differentielle Absorption von links- und rechtszirkular polarisiertem Licht. ^{[ 59 ]}
• Die kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie ist eine relativ neue Technik mit hoher Empfindlichkeit und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten für die In-vivo -Spektroskopie und -Bildgebung. ^{[ 60 ]}
• Die Kaltdampf-Atomfluoreszenzspektroskopie ist eine Unterklasse der Atomemissionsspektroskopie, mit der Spurenmengen flüchtiger Schwermetalle in der Luft, wie beispielsweise Quecksilber, gemessen werden können. ^{[ 61 ]}
• Die Korrelationsspektroskopie umfasst verschiedene Arten der zweidimensionalen NMR-Spektroskopie. ^{[ 62 ]}
• Die Tiefenniveau-Transientenspektroskopie misst die Konzentration und analysiert Parameter von elektrisch aktiven Defekten in Halbleitermaterialien . ^{[ 63 ]}
• Die dielektrische Spektroskopie misst die dielektrischen Eigenschaften eines Mediums in Abhängigkeit von der Frequenz . ^{[ 64 ]}
• Die Dualpolarisationsinterferometrie misst die Real- und Imaginärteile des komplexen Brechungsindex. ^{[ 65 ]}
• Elektronenenergieverlustspektroskopie in der Transmissionselektronenmikroskopie. ^{[ 66 ]}
• Die Elektronenphänomenologische Spektroskopie misst die physikochemischen Eigenschaften und Charakteristika der elektronischen Struktur von Mehrkomponenten- und komplexen Molekülsystemen. ^{[ 67 ]}
• Die Elektronenspinresonanzspektroskopie ist der Kernspinresonanz (NMR) ähnlich, mit dem Unterschied, dass sie die Spinanregung ungepaarter Elektronen misst . ^{[ 68 ]}
• Die Kraftspektroskopie ist eine Reihe von Techniken zur Untersuchung der Wechselwirkungen und Bindungskräfte zwischen einzelnen Molekülen, obwohl die Bezeichnung etwas irreführend ist, da keine echte Materie-Strahlungs-Wechselwirkung stattfindet. ^{[ 69 ]}
• Die Fourier-Transformations-Spektroskopie ist eine effiziente Methode zur Auswertung von Spektrendaten, die mit Interferometern gewonnen wurden. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie ist eine Anwendung der Infrarotspektroskopie. ^{[ 70 ]} Auch die NMR-Spektroskopie nutzt Fourier-Transformationen .
• Die Gammaspektroskopie misst die Gammastrahlenemissionen von Hochenergieprozessen, einschließlich radioaktiver und astrophysikalischer Quellen. ^{[ 71 ]}
• Die Hadronenspektroskopie untersucht das Energie-Massen-Spektrum von Hadronen in Abhängigkeit von Spin , Parität und anderen Teilcheneigenschaften. Baryonenspektroskopie und Mesonenspektroskopie sind Teilgebiete der Hadronenspektroskopie.
• Multispektrale und hyperspektrale Bildgebung ist eine Methode zur Erstellung eines vollständigen Bildes der Umgebung oder verschiedener Objekte, wobei jedes Pixel ein vollständiges sichtbares, sichtbares nahinfrarotes, nahinfrarotes oder infrarotes Spektrum enthält. ^{[ 72 ]}
• Die inelastische Elektronentunnelspektroskopie nutzt die Stromänderungen aufgrund der inelastischen Elektron-Vibrations-Wechselwirkung bei spezifischen Energien, mit denen auch optisch verbotene Übergänge gemessen werden können. ^{[ 73 ]}
• Die inelastische Neutronenstreuung ist der Raman-Spektroskopie ähnlich, verwendet aber Neutronen anstelle von Photonen. ^{[ 74 ]}
• Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie , auch laserinduzierte Plasmaspektrometrie genannt, ist eine Art der Atomemissionsspektroskopie, bei der ein hochenergetischer Laserpuls als Anregungsquelle verwendet wird ^{[ 75 ].}
• Bei der Laserspektroskopie werden abstimmbare Laser ^{[ 76 ]} und andere Arten von kohärenten Emissionsquellen, wie z. B. optische parametrische Oszillatoren ^{[ 77 ],} zur selektiven Anregung atomarer oder molekularer Spezies verwendet.
• Die Lichtstreuspektroskopie (LSS) ist eine spektroskopische Technik, die typischerweise zur Beurteilung morphologischer Veränderungen in Epithelzellen eingesetzt wird , um Schleimhautgewebe zu untersuchen und Krebs und Krebsvorstufen frühzeitig zu erkennen . ^{[ 11 ] [ 78 ]}
• Der Begriff Massenspektroskopie ist historisch bedingt und bezeichnete ursprünglich die Massenspektrometrie . Aktuell wird jedoch empfohlen, den letzteren Begriff zu verwenden. ^{[ 79 ]} Der Begriff „Massenspektroskopie“ entstand ursprünglich bei der Verwendung von Leuchtstoffröhren zum Nachweis von Ionen.
• Die Mößbauer-Spektroskopie untersucht die Eigenschaften spezifischer Isotopenkerne in unterschiedlichen atomaren Umgebungen durch Analyse der Resonanzabsorption von Gammastrahlen . ^{[ 80 ]} Siehe Mößbauer-Effekt .
• Die Neutronenspin-Echo- Spektroskopie misst die interne Dynamik in Proteinen und anderen Systemen weicher Materie . ^{[ 81 ]}
• Die Kernquadrupolresonanz ist eine chemische Spektroskopiemethode, die auf der NMR-Spektroskopie des elektrischen Feldgradienten (EFG) in Abwesenheit eines Magnetfelds basiert.
• Die Methode der gestörten Winkelkorrelation (PAC) verwendet radioaktive Atomkerne als Sonde, um elektrische und magnetische Felder ( Hyperfeinwechselwirkungen ) in Kristallen ( kondensierter Materie ) und Biomolekülen zu untersuchen .
• Die photoakustische Spektroskopie ist die Messung der Wirkung absorbierter elektromagnetischer Energie auf Materie mittels akustischer Detektion. ^{[ 82 ]}
• Die akustische Emissionsspektroskopie ist die Messung von Schallwellen bei der Verformung eines Materials. ^{[ 83 ]}
• Die Photoemissionsspektroskopie misst die Energie oder den Spin von Elektronen, die durch den photoelektrischen Effekt aus Materialien emittiert werden . ^{[ 84 ]}
  • Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie ist eine Oberflächenanalysetechnik, die einen Röntgenstrahl zur Durchführung der Photoemissionsspektroskopie verwendet ^{[ 85 ].}
• Die photothermische Spektroskopie misst die Wärme, die bei der Absorption von Strahlung freigesetzt wird. ^{[ 86 ]}
• Mittels Pump-Probe-Spektroskopie können ultraschnelle Laserpulse verwendet werden, um Reaktionszwischenprodukte im Femtosekundenbereich zu messen. ^{[ 87 ]}
• Die Raman-optische Aktivitätsspektroskopie nutzt Raman-Streuung und optische Aktivitätseffekte, um detaillierte Informationen über chirale Zentren in Molekülen zu gewinnen.
• Die Raman-Spektroskopie dient zur Bestimmung der Schwingungsmoden von Molekülen und liefert einen strukturellen Fingerabdruck, anhand dessen Moleküle identifiziert werden können. ^{[ 88 ]}
• Die Sättigungsspektroskopie nutzt eine Doppellasertechnik, um die Doppler-Profile aus den spektroskopischen Signalen heißer Atome zu entfernen. Dies geschieht durch Messung des Spektralsignals von Atomen, die sich senkrecht zum Laser bewegen. ^{[ 89 ]}
• Bei der Rastertunnelspektroskopie wird ein Rastertunnelmikroskop verwendet , um die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Oberfläche zu messen und eine Karte der elektronischen Struktur zu erstellen. ^{[ 90 ]}
• Die Spektrophotometrie kombiniert ein Spektrometer mit einem Photometer , um die Energieintensität bei verschiedenen Wellenlängen zu messen. Dies kann zur Bestimmung der Reflexions- oder Transmissionseigenschaften einer Substanz verwendet werden. ^{[ 91 ]}
• Die Spinrauschspektroskopie erfasst spontane Fluktuationen von Elektronen- und Kernspins. ^{[ 92 ]}
• Die zeitaufgelöste Spektroskopie misst die Zerfallsraten angeregter Zustände mithilfe verschiedener spektroskopischer Methoden. ^{[ 93 ]}
• Zeitdehnungsspektroskopie ^{[ 94 ] [ 95 ]}​
• Die thermische Infrarotspektroskopie misst die von Materialien und Oberflächen emittierte Wärmestrahlung und dient der Bestimmung der Bindungsarten in einer Probe sowie ihrer Gitterumgebung. Die Techniken finden breite Anwendung in der organischen Chemie, der Mineralogie und der Planetenforschung .
• Die transiente Gitterspektroskopie misst die Ausbreitung von Quasiteilchen. Sie kann Veränderungen in metallischen Werkstoffen während der Bestrahlung verfolgen.
• Ultraviolette Photoelektronenspektroskopie
• Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie
• Vibrationszirkulardichroismus -Spektroskopie
• Videospektroskopie

Die Spektroskopie findet vielfältige Anwendung in Medizin, Physik, Chemie und Astronomie. Durch die Nutzung der Absorptions- und, in der Astronomie, Emissionseigenschaften ermöglicht sie die Identifizierung bestimmter Zustände in der Natur. Die breite Anwendung der Spektroskopie in so vielen verschiedenen Wissenschaftsbereichen hat zur Entstehung spezialisierter Teilgebiete geführt. Beispiele hierfür sind:

• Bestimmung der Atomstruktur einer Probe ^{[ 97 ]}
• Untersuchung der spektralen Emissionslinien der Sonne und ferner Galaxien ^{[ 98 ]}
• Weltraumforschung ^{[ 99 ]}
• Aushärtungsüberwachung von Verbundwerkstoffen mittels optischer Fasern . ^{[ 100 ]}
• Schätzung der Verwitterungszeiten von Holz mittels Nahinfrarotspektroskopie ^{[ 101 ]}
• Messung verschiedener Verbindungen in Lebensmittelproben mittels Absorptionsspektroskopie sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Spektrum ^{[ 102 ].}
• Messung toxischer Verbindungen in Blutproben ^{[ 103 ]}
• Zerstörungsfreie Elementanalyse mittels Röntgenfluoreszenz ^{[ 104 ]}
• Elektronische Strukturuntersuchungen mit verschiedenen Spektroskopen ^{[ 90 ] [ 67 ] [ 105 ]}
• Rotverschiebung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und des Tempos eines entfernten Objekts ^{[ 106 ]}
• Bestimmung der Stoffwechselstruktur eines Muskels
• Überwachung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff in Süßwasser- und Meeresökosystemen ^{[ 107 ]}
• Die Struktur von Medikamenten verändern, um deren Wirksamkeit zu verbessern
• Charakterisierung von Proteinen
• Atemgasanalyse in Krankenhäusern ^{[ 8 ]}
• Bestimmung der physikalischen Eigenschaften eines fernen Sterns oder eines nahen Exoplaneten mithilfe des relativistischen Doppler-Effekts . ^{[ 108 ]}
• Geschlechtsbestimmung im Ei : Die Spektroskopie ermöglicht die Bestimmung des Geschlechts des Eis während des Schlüpfens. Entwickelt von französischen und deutschen Unternehmen, beschlossen beide Länder im Jahr 2022, das Töten von Küken , das meist durch einen Mazerator durchgeführt wurde, zu verbieten. ^{[ 109 ]}
• Prozessüberwachung in der industriellen Prozesssteuerung ^{[ 110 ]}

Die Geschichte der Spektroskopie begann mit Isaac Newtons optischen Experimenten (1666–1672). Laut Andrew Fraknoi und David Morrison beschrieb Newton 1672 in seiner ersten Arbeit an die Royal Society ein Experiment, bei dem er Sonnenlicht durch ein kleines Loch und anschließend durch ein Prisma leitete. Er fand heraus, dass Sonnenlicht, das uns weiß erscheint, tatsächlich aus einer Mischung aller Farben des Regenbogens besteht. ^{[ 111 ]} Newton prägte den Begriff „Spektrum“, um das Spektrum der Farben zu beschreiben, die sich zu weißem Licht vereinen und sichtbar werden, wenn dieses weiße Licht durch ein Prisma geleitet wird.

Fraknoi und Morrison schreiben: „1802 konstruierte William Hyde Wollaston ein verbessertes Spektrometer mit einer Linse, die das Sonnenspektrum auf einen Schirm fokussierte. Bei der Anwendung stellte Wollaston fest, dass die Farben nicht gleichmäßig verteilt waren, sondern Farblücken aufwiesen, die als dunkle Streifen im Spektrum erschienen.“ ^{[ 111 ]} Zu Beginn des 19. Jahrhunderts erzielte Joseph von Fraunhofer mit dispersiven Spektrometern experimentelle Fortschritte, die die Spektroskopie zu einer präziseren und quantitativeren wissenschaftlichen Methode machten. Seitdem spielt die Spektroskopie eine bedeutende Rolle in Chemie, Physik und Astronomie. Laut Fraknoi und Morrison untersuchte der deutsche Physiker Joseph Fraunhofer 1815 das Sonnenspektrum und entdeckte etwa 600 solcher dunkler Linien (fehlende Farben), die heute als Fraunhofer-Linien oder Absorptionslinien bekannt sind. ^{[ 111 ]}

Die Spektren von Atomen und Molekülen bestehen oft aus einer Reihe von Spektrallinien, die jeweils eine Resonanz zwischen zwei verschiedenen Quantenzuständen darstellen. Die Erklärung dieser Linien und der zugehörigen Spektralmuster war eines der experimentellen Rätsel, die die Entwicklung und Akzeptanz der Quantenmechanik vorantrieben. Insbesondere die Wasserstoff-Spektralserie wurde erstmals erfolgreich mit dem Rutherford-Bohr-Quantenmodell des Wasserstoffatoms erklärt. In manchen Fällen sind Spektrallinien gut getrennt und unterscheidbar, sie können sich aber auch überlappen und als ein einziger Übergang erscheinen, wenn die Zustandsdichte hoch genug ist. Benannte Linienserien sind beispielsweise die Haupt- , die scharfe , die diffuse und die Fundamentalserie .

Die Spektroskopie hat sich innerhalb der Maker-Bewegung zu einer immer wichtigeren Praxis entwickelt und ermöglicht es Hobbyisten und Pädagogen, funktionelle Spektrometer aus leicht verfügbaren Materialien zu bauen. ^{[ 112 ]} Mithilfe von Komponenten wie CD/DVD-Beugungsgittern, Smartphones und 3D-gedruckten Teilen bieten diese Instrumente einen praktischen Zugang zum Verständnis der Wechselwirkungen von Licht und Materie. Smartphone-Apps ^{[ 113 ] [ 114 ]} und Open-Source-Tools ^{[ 115 ]} erleichtern die Integration und vereinfachen die Erfassung und Analyse von Spektraldaten erheblich. Obwohl im Vergleich zu professioneller Ausrüstung Einschränkungen hinsichtlich Auflösung, Kalibriergenauigkeit und Streulichtmanagement bestehen, bietet die DIY-Spektroskopie wertvolle Lernerfahrungen ^{[ 116 ]} und trägt zu Citizen-Science-Initiativen bei, wodurch der Zugang zu spektroskopischen Techniken gefördert wird.

• John M. Chalmers; Peter Griffiths (Hrsg.) (2006). Handbuch der Schwingungsspektroskopie . New York: Wiley. doi : 10.1002/0470027320 . ISBN 978-0-471-98847-2Die
• Jerry Workman; Art Springsteen (Hrsg.) (1998). Angewandte Spektroskopie . Boston: Academic Press. ISBN 978-0-08-052749-9Die
• Peter M. Skrabal (2012). Spektroskopie – Eine interdisziplinäre, integrale Beschreibung der Spektroskopie von UV bis NMR (E-Book) . ETH Zürich: vdf Hochschulverlag AG. doi : 10.3218/3385-4 . ISBN 978-3-7281-3385-4S2CID  244026324 .​

• NIST-Datenbanken zur Atomspektroskopie
• Geschichte der Spektroskopie im MIT Spectroscopy Lab
• Zeitleiste der Spektroskopie
• Spektroskopie: Den Regenbogen lesen