Pflichtmodul Spektroskopie und Mikroskopie komplexer Systeme (SMKS) - Spektroskopie: Weinkauf (3 V + 1 Ü) - Mikroskopie: Seidel (2 V) Im Wesentlichen sind das die aktuellen Forschungsgebiete der PC Arbeitsgruppen: R. Weinkauf, Karl Kleinermanns, Michael Schmitt, Klaus Seidel, Peter Gilch
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Spektroskopie von Molekülen in der Gasphase und in flüssiger PhaseIsolierte Moleküle, Rotationen, Schwingungen, elektronische Anregungen, Unterschiede Gasphase / flüssige Phase
WeinkaufM. Schmitt
Zerfall angeregter Zustände und zeitaufgelöste SpektroskopieChemische Zeitskalen, Methoden der zeitaufgelösten Spektroskopie, strahlende und nicht-strahlende Prozesse, Quantenausbeuten, Energie-und Elektrontransfer, Photochemie
Grundlagen der statistischen Thermodynamik
Weinkauf
WeinkaufEinzelmolekülspektroskopie und OberflächenanalytikMikroskopie mit “molekularer” Auflösung, optische Mikroskopie, Einzelmolekülspektroskopie, FRET, Photoelektronen-spektroskopie, Oberflächen
Seidel
Warum steht die Spektroskopie mit elektromagnetischen Wellen im Zentrum eines Pflichtmoduls?
Motivation: Analytik, Die Spektroskopie ist ein Schwerpunkt der PC-Forschung in Düsseldorf
Geschichte
Spektroskopie: Existenz von diskreten Linien!
He - Spektrum
Spektroskopie und Aufbau der Materie
Einen Großteil unseres Wissens über den Aufbau der Materie verdanken wir spektroskopischen Untersuchungen!
Beispiel: Aufbau von Atomen
Balmer-Serie des H-Atoms
Johann JakobBalmer
Niels Bohr
Spektroskopie und Analytik
Viele (die meisten?) Methoden der instrumentellen Analytik nutzen spektroskopische Verfahren. Dies gilt für die qualitative und diequantitative Analytik.
Beispiele
(Flammen-)Atomabsortions-spektroskopie (AAS)
Photometrie
Weitere: NMR, ESR, UV-VIS, IR, Raman, RöntgenspektroskopieFRET .......
Instrumentelle Analytik ohneSpektroskopie:
Lichtanwendungen (Farbnachweis bzw. Spektroskopie)
-Untersuchungen zum Ozonloch, Atmosphärenanalytik,- Astronomie
-Überwachung von Schadstoffausstoß- Überwachungen von Verbrennungsprozessen - Farbgebung, Farbstabilität- Abwasseranalytik- Milchalterung- Abfalltrennung (Polymere) .....
-Vorteil: Berührungslos, zerstörungsfrei selektiv und schnell
Astronomie
Unser Wissen über die Zusammensetzung von Himmelskörpern fußthauptsächlich auf spektroskopischen Untersuchungen!
Entdeckung des Heliums (1868)
Pierre Janssen1824-1907
Suche nach Exoplaneten
Planeten, die einen Stern umkreisen, bewirken periodische Bewegungendieses Sterns (warum?). Diese können über die Dopplerverschiebungvon Spektrallinien nachgewiesen werden.
Es werden Spektrographen mit hoher Auflösung benötigt!
Die ESO hat 2003 einen solchen in Betrieb gesetzt.
Spektroskopie ist schnell und deshalb auch besonders geeignet Veränderungen der Materie als Funktion der Zeit (Dynamik der Materie)zu verfolgen.
Chemische Reaktionen sind ein „Extremfall“ der Dynamik der Materie. (Zeitaufgelöste) Spektroskopie ist daher das Instrument der chemische Kinetik und der Reaktionsdynamik.
Die Zeitauflösung erlaubt Elementarprozesse sichtbar zu machen. Damit wir ein detailliertes Verständnis solcher Prozesse möglich
Geschichte der Spektroskopie - Übersicht
1304
Dietrich von FreibergsArbeiten zum Regenbogen
~1620
Willebrord SnelliusBrechungsgesetz
1666
Isaac NewtonSpektralauf-spaltung
1690
Christian HuygensWellentheorie desLichts
1752
Thomas MelvillErstes Linien-spektrum
1800
Wilhelm HerschelInfrarot-Strahlung
1801
William Hyde WollastonJohann Wilhelm RitterUV-Strahlung
1814
Joseph von FraunhoferBeugungsgitterLinien im Sonnenspektrum
1855
Gustav Robert Kirchhoff Robert Bunsen Zusammenhang Emission &Absorption
1864
James Clerk MaxwellLicht ist EM-Welle
1882
Captain AbneyLieut.-Colonel FestingIR-Spektrum
1900
Max PlanckQuantentheorie desSchwarzen Strahlers
1905
Albert EinsteinDeutung desPhotoeffekts
1913
Niels BohrAtommodell ψψ EH =ˆ
1925-27
Heisenberg, Schrödinger,Born, Dirac, de Broglie, etc.Quantenmechanik
1928 1938 1951
C. V. RamanInelastischeLichtstreuung anMolekülen
Isidor RabiNMR anMolekularstrahl
J. Arnold et al.Chemische Verschiebungenvon 1H
1960
Theodore MaimanLaser
P. A. Franken et al.Frequenz-Verdopplung(Beginn der nicht-linearenOptik)
1961
1966
R. R. ErnstW. A. AndersonFT-Methoden fürNMR
1954
Gerhard HerzbergKlassiker zurMolekülspektroskopie
1964
Logan E. HargroveModenkopplung
1999
Achmed ZewailNobelpreis für„Femtochemie“
1974
M. Fleischmann et al.SERS-Effekt
1970
L. S. Vasilenko et al.DopplerfreieZweiphotonen-spektroskopie
1970
W.S. Boyle, G.E. SmithCCD-ChipNobelpreis 2009
„Aus der Geschichte lernen“ I
Newtons Experiment zur Spektralzerlegung (1666) –Ein früher Spektrograph
(Skizze von Newton)
„Aus der Geschichte lernen“ II
Kirchhoffs und Bunsens Experimente zur Spektralanalyse (1859)
Absorptionsspektrum
Emissionsspektrum
Jedes Atom hat ein eigenes Muster: Neue Linien gehören also zu neuen Elementen.
„Aus der Geschichte lernen“ III
Einsteins theoretische Arbeit zum photoelektrischen Effekt (1905)
Exp.: Elektronen fliegen gegen GegenspannungWork function ist Materialabhängig,Licht ist gequantelt, Bestimmung der Größe von h (Planck-Konst. h = 6,625 x 10-34 Js)
Lichteinfall
„Aus der Geschichte lernen“ IV
NMR-Spektroskopie (ab 1938)
Ursprüngliche Motivation für die NMR-Spektroskopie war die Bestimmungder gyromagnetischen Verhältnisse γ (oder g) von Atomkernen.
Proportionalitätsfaktor zwischen magnetischen Moment μ und Spin S eines Elementarteilchens:
γ beeinflusst die Zeeman-Energie und damit die Resonanzfrequenz
Beispiel: Geometrische und chemische Struktur von Molekülen
Erstes 1H-NMR-Spektrum einer organische Verbindung.J.T. Arnold et al. J. Chem. Phys. 19 (1951) 507
Als „Dreckeffekt“ sind dabei die chemischen Verschiebungen und dieSpin-Spin-Kopplungen entdeckt worden!
Problem: Thermische Besetzung unten und oben ist sehr ähnlich, also größeres Magnetfeld