Spektralbereiche und ihre Wirkung auf Materie
Die Spektralbereiche von γ-Strahlung bis Mikrowellen mit ihren Wellenlängengrenzen und den Vorgängen, die sie in Atomen und Molekülen anregen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Spektralbereiche ordnen elektromagnetische Strahlung nach Wellenlänge bzw. Energie. Die Energie bestimmt, ob Ionisation, Elektronenanregung, Schwingung oder Rotation angeregt wird.
- Röntgenstrahlung umfasst etwa 0,01 bis 1 nm und wirkt typischerweise ionisierend.
- Das Vakuum-UV reicht von etwa 100 bis 200 nm, der spektroskopische UV-Bereich von 200 bis 400 nm, das Vis von 400 bis 800 nm.
- Das Infrarot gliedert sich in NIR (0,8 bis 2,5 µm), MIR (2,5 bis 50 µm) und FIR (50 bis 500 µm). Strahlung von 1000 nm gehört zum NIR.
- Mikrowellen (500 µm bis 30 cm) und FIR regen Molekülrotationen an. IR-Strahlung ist nicht ionisierend.
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Worum es geht
Jede spektroskopische Methode nutzt einen bestimmten Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Wer die Grenzen der Bereiche kennt, weiß auch, was dort in der Probe passiert: Ionisation, Elektronenanregung, Schwingung oder Rotation. Das ist die Grundlage für UV-Vis-, IR- und Mikrowellenverfahren in der Arzneistoffanalytik.
Das elektromagnetische Spektrum
Alle Spektralbereiche sind dieselbe Art von Strahlung. Sie unterscheiden sich nur in Wellenlänge, Wellenzahl, Frequenz und damit in der Photonenenergie. Wie man diese Größen ineinander umrechnet, steht bei Wellenlänge, Wellenzahl und Energie. Hier zählt nur: Je kürzer die Wellenlänge, desto größer die Energie eines Photons.
Die Energie entscheidet, welcher Vorgang angeregt wird. Man kann sich das wie eine Treppe vorstellen. Kleine Energiepakete reichen nur für die Rotation ganzer Moleküle. Etwas mehr Energie bringt Bindungen zum Schwingen. Noch mehr hebt Valenzelektronen auf höhere Niveaus. Ganz oben schlägt die Strahlung Elektronen vollständig heraus.
Spektralbereiche definiert man über Wellenlänge, Wellenzahl, Frequenz oder Energie. Eine Temperatur ordnet man ihnen nicht zu, auch keine Werte von 3 K bis 10 K.
Strahlung, deren Photonen genug Energie haben, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen herauszulösen. Dazu gehören γ-Strahlung, Röntgenstrahlung und kurzwelliges UV. Vis, IR und Mikrowellen sind nicht ionisierend.
Grenzen im Überblick
Die Grenzen sind Richtwerte. In der Literatur schwanken sie leicht, für das Examen reichen die folgenden Zahlen. Die Bereiche sind nach steigender Wellenlänge, also fallender Energie geordnet.
| Bereich | Wellenlänge (etwa) |
|---|---|
| γ-Strahlung | unter 0,01 nm |
| Röntgenstrahlung | 0,01 bis 1 nm |
| Vakuum-UV | 100 bis 200 nm |
| UV (Spektroskopie) | 200 bis 400 nm |
| Sichtbares Licht (Vis) | 400 bis 800 nm |
| Nahes Infrarot (NIR) | 0,8 bis 2,5 µm |
| Mittleres Infrarot (MIR) | 2,5 bis 50 µm |
| Fernes Infrarot (FIR) | 50 bis 500 µm |
| Mikrowellen | 500 µm bis 30 cm |
Zwischen 1 und 100 nm gehen Röntgenstrahlung und extremes UV fließend ineinander über. Das gesamte UV unterteilt man außerdem nach seiner biologischen Wirkung:
- UV-C: 100 bis 280 nm, am energiereichsten
- UV-B: 280 bis 315 nm
- UV-A: 315 bis 400 nm, grenzt an Violett
Die UV-Vis-Spektroskopie arbeitet von etwa 200 bis 800 nm. Sie nutzt damit kürzerwelliges, energiereicheres Licht als die IR-Spektroskopie.
Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlung umfasst etwa 0,01 bis 1 nm. Ihre Photonen sind so energiereich, dass sie vor allem Elektronen aus den Atomen schlagen. Ihre typischste Wirkung auf Materie ist daher die Ionisation. Das macht sie für die Strukturaufklärung nützlich und im Strahlenschutz gefährlich.
Ultraviolett
Der UV-Bereich liegt unterhalb von etwa 400 nm. Spektroskopisch nutzt man vor allem 200 bis 400 nm. Eine Wellenlänge von 250 nm liegt also mitten im UV. Eine Strahlung von 5 µm gehört dagegen ins MIR, sie ist rund zwanzigmal langwelliger als die UV-Grenze.
Unterhalb von 200 nm beginnt das Vakuum-UV, etwa 100 bis 200 nm. Der Name verrät den Grund: Luftsauerstoff absorbiert diese Strahlung stark. Messungen gelingen nur im evakuierten Gerät. Ein normales UV-Vis-Spektrometer beginnt deshalb erst bei rund 200 nm.
Das Vakuum-UV wird im Examen gerne gefragt: Merke dir die Grenzen 100 und 200 nm und dass erst ab 200 nm der spektroskopische UV-Bereich beginnt. Im UV werden Valenzelektronen angeregt, das erklärt die Einheit zur Elektronenanregung. Kurzwelliges UV ist zudem ionisierend. Unterhalb von etwa 124 nm übersteigt die Photonenenergie 10 eV und reicht für die Ionisation vieler Moleküle.
Beide Begriffe beschreiben unterschiedliche Einteilungen. UV-C (100 bis 280 nm) ist eine biologische Kategorie, Vakuum-UV (100 bis 200 nm) eine messtechnische und deckt nur den kurzwelligen Teil des UV-C ab.
Sichtbarer Bereich
Das sichtbare Licht reicht von etwa 400 bis 800 nm. Am kurzwelligen Ende liegt Violett, es folgen Blau, Grün, Gelb und Orange, am langwelligen Ende Rot. Licht von 500 nm ist sichtbar und liegt im blaugrünen Übergang. Blaues Fluoreszenzlicht hat kürzere Wellenlängen als 500 nm.
Oberhalb von 800 nm beginnt das nahe Infrarot. Strahlung von 1000 nm ist also kein sichtbares Licht mehr, sondern NIR.
Farbe entsteht, wenn ein Stoff einen Teil des sichtbaren Lichts absorbiert. Ein Glas mit gleichmäßig hoher Transmission im ganzen Vis bevorzugt keine Wellenlänge. Es erscheint deshalb farblos. Wie man Transmissionsspektren liest, steht bei Absorption, Emission und Spektren.
Infrarot
Im Infrarot rechnet man meist in Wellenzahlen \(\tilde{\nu} = 1/\lambda\). Der spektroskopisch genutzte IR-Bereich umfasst größenordnungsmäßig 12500 bis 200 \(\mathrm{cm^{-1}}\). Er schließt direkt an das rote Ende des Vis an.
Die Grenzen ergeben sich durch einfaches Umrechnen. Für 800 nm gilt \(\lambda = 8 \cdot 10^{-5}\,\mathrm{cm}\), also \(\tilde{\nu} = 12500\,\mathrm{cm^{-1}}\). Für 1000 nm erhält man \(\tilde{\nu} = 1/(1 \cdot 10^{-4}\,\mathrm{cm}) = 10000\,\mathrm{cm^{-1}}\). Dieser Wert liegt zwischen 12500 und 4000 \(\mathrm{cm^{-1}}\), also im NIR.
| Bereich | Wellenlänge | Wellenzahl |
|---|---|---|
| NIR | 0,8 bis 2,5 µm | 12500 bis 4000 \(\mathrm{cm^{-1}}\) |
| MIR | 2,5 bis 50 µm | 4000 bis 200 \(\mathrm{cm^{-1}}\) |
| FIR | 50 bis 500 µm | 200 bis 20 \(\mathrm{cm^{-1}}\) |
Das NIR grenzt an das Vis und an das MIR. An die Mikrowellen grenzt erst das FIR. Der Übergang zwischen FIR und Mikrowellen heißt auch Terahertz-Bereich. Das NIR trägt diese Bezeichnung nicht.
Die IR-Grenzen solltest du sicher können: NIR 0,8 bis 2,5 µm, MIR 2,5 bis 50 µm, FIR 50 bis 500 µm. Achte auf die Nachbarn: 1000 nm ist NIR, und nur das FIR grenzt an die Mikrowellen.
IR-Strahlung ist nicht ionisierend. Schon nahes UV ist energiereicher als jede IR-Strahlung. Im IR werden Molekülschwingungen angeregt, Details dazu bei IR-Absorption und infrarote Spektralbereiche.
Mikrowellen
Mikrowellen umfassen etwa 500 µm bis 30 cm. Ihre Photonen tragen sehr wenig Energie. Das reicht weder für Elektronenübergänge noch für Schwingungen, wohl aber für die Rotationsanregung.
Bei der Rotationsanregung nimmt ein Molekül Energie auf und dreht sich schneller um eine Achse. Die Rotationsenergie ist gequantelt, die Niveaus liegen aber sehr dicht. Deshalb regen Mikrowellen und fernes IR charakteristisch Molekülrotationen an, UV-Strahlung dagegen nicht. Einzelne Atome besitzen keine solchen Rotationsniveaus. Atomrotationen lassen sich daher auch durch Sonnenlicht nicht anregen.
Die Zuordnung gilt auch umgekehrt für Emission. Molekülschwingungen liefern Banden im IR. Emissionslinien im sichtbaren Bereich stammen dagegen aus Elektronenübergängen.
Von kurz- nach langwellig: γ und Röntgen ionisieren, UV und Vis regen Valenzelektronen an, IR regt Schwingungen an, FIR und Mikrowellen regen Rotationen an.
Quiz
Aussage 1
Im elektromagnetischen Spektrum schließt das nahe Infrarot direkt an den Mikrowellenbereich an.
Das NIR grenzt an Vis und MIR. An die Mikrowellen grenzt das ferne Infrarot.
Aussage 2
Molekülrotationen werden charakteristisch durch UV-Strahlung angeregt.
UV regt Valenzelektronen an. Rotationen werden durch Mikrowellen und fernes IR angeregt.
Aussage 3
Strahlung zwischen 100 und 200 nm wird als Vakuum-UV bezeichnet, weil Luftsauerstoff sie stark absorbiert.
Das Vakuum-UV umfasst etwa 100 bis 200 nm. Messungen sind nur im evakuierten Gerät möglich, weil \(\ce{O2}\) diese Strahlung absorbiert.
Aussage 4
Die typischste Wirkung von Röntgenstrahlung auf Materie ist die Ionisation.
Röntgenphotonen (0,01 bis 1 nm) sind so energiereich, dass sie Elektronen aus Atomen herausschlagen.
Aussage 5
Strahlung der Wellenlänge 1000 nm wird vom menschlichen Auge als tiefes Rot wahrgenommen.
Das Vis endet bei etwa 800 nm. 1000 nm entspricht 10000 \(\mathrm{cm^{-1}}\) und gehört zum nahen Infrarot.
Aussage 6
Die UV-Vis-Spektroskopie arbeitet mit langwelligerer Strahlung als die IR-Spektroskopie.
Die UV-Vis-Spektroskopie nutzt etwa 200 bis 800 nm und damit kürzerwelliges, energiereicheres Licht als das IR.
Aussage 7
Das ferne Infrarot umfasst etwa den Wellenlängenbereich von 50 µm bis 500 µm.
FIR liegt zwischen MIR (bis 50 µm) und den Mikrowellen (ab 500 µm).
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