Optische Spektroskopie: eine Einführung für Naturwissenschaftler und Techniker
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Weinheim [u.a.]
VCH
1994
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OPTISCHE
SPEKTROSKOPIE
EINE EINFUEHRUNG FUER
NATURWISSENSCHAFTLER UND TECHNIKER
7G^WW T/R
-
WEINHEIM YY NEW YORK
VV/X
L HT BASEL YY CAMBRIDGE YY TOKYO
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINFUEHRUNG IN DIE OPTISCHE SPEKTROSKOPIE 1
1.1 UEBERBLICK 1
1.2 GESCHICHTE DER OPTISCHEN SPEKTROSKOPIE 5
2 GRUNDLAGEN 11
2.1 DIE NATUR DES LICHTS 11
2.2 DAS ELEKTROMAGNETISCHE SPEKTRUM 14
2.3 WECHSELWIRKUNG VON LICHT MIT MATERIE 18
2.3.1 DAS WASSERSTOFFATOM: GRUNDLAGEN OPTISCHER SPEKTROSKOPIE . . 19
2.3.2 ATOM
E MIT MEHREREN ELEKTRONE
N 27
2.3.2.1 SCHALEN UND PERIODEN 27
2.3.2.2 VEKTORMODELL, REGELN VON PAULI UND HUND 31
2.3.2.3 DAS HELIUMATOM 34
2.3.3 EINFACHE MOLEKUELE UND IHR SPEKTRALVERHALTEN 37
2.3.3.1 CHEMISCHE BINDUNG 37
2.3.3.2 ELEKTRONENSPRUNG-SPEKTREN ZWEIATOMIGER MOLEKUELE 38
2.3.3.3 MOLEKUELSCHWINGUNGEN 44
2.3.3.4 UEBERGANGSMOMENTE 50
2.3.3.5 DAS ROTATIONSSPEKTRUM 51
2.3.3.6 ROTATIONS-SCHWINGUNGSBANDEN 53
2.3.3.7 SCHWINGUNGS-, ROTATIONS- UND ELEKTRONISCHE UEBERGAENGE ...
. 54
2.3.3.8 ATOMSPEKTREN
, SPEKTREN KLEINER UND GROSSER MOLEKUELE,
EIN VERGLEICH 55
2.4 WEITERFUEHRENDE LITERATUR 58
3 SPEKTROSKOPISCHE OPTIK 61
3.1 EINLEITUNG 61
3.2 PHYSIKALISCHE LICHTGROESSEN 62
XI
I INHALTSVERZEICHNIS
3.
3 PHYSIOLOGISCH
E EINHEITE
N VO
N LICHTGROESSE
N 66
3.4 FARBENSEHE
N DE
S MENSCHE
N 67
3.5 LICHTQUELLE
N 69
3.5.
1 DE
R SCHWARZ
E STRAHLE
R 70
3.5.
2 GLUEHLAMPE
N 7
2
3.5.
3 GASENTLADUNGSLAMPE
N 73
3.5.
4 LASE
R 75
3.5.
5 SYNCHROTRONSTRAHLUN
G 79
3.6 GEOMETRISCH
E OPTIK
, WELLENOPTI
K 80
3.6.
1 BRECHUN
G UN
D REFLEXIO
N 80
3.6.
2 DI
E FRESNEL-FORMELN 81
3.6.
3 LINSE
N UN
D SPIEGE
L 84
3.6.
4 STRAHLENGAENG
E 87
3.6.
5 LICHTLEITE
R 88
3.6.
6 ULBRICHTKUGE
L 91
3.6.
7 MODULATOREN/DOPPELBRECHUN
G 93
3.7 FILTE
R 95
3.8 MONOCHROMATORE
N 99
3.8.
1 DISPERSIONS-PRISME
N 99
3.8.
2 DISPERSIONS-GITTE
R 101
3.9 PHOTODETEKTORE
N 107
3.9.
1 PHOTODETEKTORE
N MI
T AEUSSERE
M PHOTOEFFEK
T 107
3.9.
2 PHOTODETEKTORE
N MI
T INNERE
M PHOTOEFFEK
T HO
3.9.
3 PHOTODETEKTORE
N MI
T THERMOEFFEK
T 111
3.9.
4 PHOTOCHEMISCH
E DETEKTORE
N 112
3.10 KUEVETTE
N 113
3.1
1 WEITERFUEHREND
E LITERATU
R 114
4 ABSORPTIONSSPEKTROPHOTOMETRI
E 117
4.
1 BOUGUER-LAMBERT-BEER-GESETZ 117
4.1.
1 ABLEITUN
G 117
4.1.
2 ABWEICHUNGE
N 121
4.1.
3 TERMINOLOGI
E 124
4.
2 MONOCHROMATORE
N 125
4.2.
1 MONOCHROMATORANORDNUNGE
N 125
4.2.
2 GITTERTYPE
N 130
4.2.
3 LINEARISIERUN
G DE
R WELLENLAENG
E 131
4.2.
4 TYPE
N SCANNENDE
R ABSORPTIONSSPEKTROMETE
R 134
4.2.
5 DA
S RAUSCHE
N 137
4.2.
6 PHOTOMETRISCHE
R FEHLE
R 139
4.2.
7 FALSCHLICH
T 141
4.2.
8 MESSUN
G TRUEBE
R PROBE
N 142
4.2.
9 SPEZIFIKATIONE
N 146
INHALTSVERZEICHNIS XII
I
4.3 ABSORPTIONSEIGENSCHAFTE
N VO
N MOLEKUELE
N 147
4.3.
1 GRUNDTYPE
N ELEKTRONISCHE
R UEBERGAENG
E 147
4.3.
2 CHARGE-TRANSFER-KOMPLEX
E 150
4.3.
3 UEBERGANGSMETALLKOMPLEX
E 151
4.4 MODIFIKATIO
N VO
N ABSORPTIONSSPEKTRE
N 158
4.4.
1 DIFFERENZ-SPEKTROPHOTOMETRI
E 158
4.4.2 PERTURBATIONS-SPEKTROPHOTOMETRI
E 159
4.4.3 DERIVATIVSPEKTROSKOPI
E 163
4.4.4 KORRELATIONE
N 167
4.4.4.
1 THEORI
E 167
4.4.4.
2 GLAETTUN
G 168
4.4.4.
3 ABLEITUNGE
N 168
4.4.4.
4 DEKONVOLUTIO
N 170
4.4.4.
5 FOURIE
R VS
. KORRELATIO
N 171
4.4.5 SPEKTRAL
E MULTIKOMPONENTENANALYS
E 173
4.5 ZWEIWELLENLAENGE
N SPEKTROPHOTOMETRI
E 174
4.5.
1 EINLEITUN
G 174
4.5.2 METHODI
K 175
4.5.3 MESSUN
G VO
N HAEMOGLOBI
N IN-VIV
O 177
4.6 SPEKTROPHOTOMETE
R FUER SPEZIELL
E ANWENDUNGE
N 178
4.6.1 STOPPED-FLOW-SPEKTROPHOTOMETRI
E 179
4.6.2 RAPID-SCAN-SPEKTROPHOTOMETRI
E 180
4.6.3 ATOMABSORPTIONSSPEKTROPHOTOMETRI
E 181
4.6.4 DURCHFLUSSSPEKTROPHOTOMETRI
E 183
4.6.5 DE
R NAH
E INFRAROTBEREIC
H 184
4.7 WEITERFUEHREND
E LITERATU
R 185
5 LUMINESZENZSPEKTROPHOTOMETRI
E 187
5.1 EINLEITUN
G 187
5.2 FLUORESZENZMECHANISMU
S 189
5.2.1 URSPRUN
G VO
N FLUORESZEN
Z UN
D PHOSPHORESZEN
Z 189
5.2.2 POTENTIALDIAGRAMM
E 190
5.2.3 VOM POTENTIALDIAGRAM
M ZU
M SPEKTRU
M 192
5.2.4 LOESUNGSMITTELEFFEKT
E 194
5.2.5 QUANTENMECHANISCH
E GRUNDLAGE
N 197
5.2.6 FLUORESZENZ-QUANTENAUSBEUT
E 200
5.3 FLUORESZENZMESSUN
G 200
5.3.1 FLUOROMETE
R 200
5.3.2 KORREKTU
R VO
N FLUORESZENZSPEKTRE
N 203
5.3.3 LINEARITAE
T DE
S FLUORESZENZSIGNAL
S 205
5.3.4 TRUEB
E PROBE
N UN
D TIEFTEMPERATURMESSUN
G 207
5.3.5 WEITER
E FEHLERQUELLE
N 209
5.3.6 SYNCHRON-FLUORESZENZSPEKTRE
N 210
XI
V INHALTSVERZEICHNIS
5.4 POLARISATION UND ANISOTROPIE 211
5.4.1 DEFINITIONEN 211
5.4.2 ENERGIETRANSFER 215
5.4.3 DEPOLARISIERUNG 215
5.5 FLUORESZENZLEBENSDAUER 222
5.5.1 DEFINITIONEN 222
5.5.2 BESTIMMUNG DER FLUORESZENZLEBENSDAUER 223
5.5.3 BESTIMMUNG DER QUANTENAUSBEUTE 228
5.5.4 FLUORESZENZLOESCHUNG 228
5.5.5 DIE STERN-VOLMER-GLEICHUNG 230
5.6 AUSGEWAEHLTE THEMEN 231
5.6.1 LANTHANIDEN UND ACTINIDEN 231
5.6.2 PROTEINE 231
5.6.3 MARKER, SONDEN 232
5.6.4 CHELATE 233
5.6.5 BESTIMMUNG VON CALCIUM 233
5.6.6 TOTALFLUOROMETRIE 234
5.6.7 FLUORESZENZSENSOREN 235
5.7 PHOSPHORESZENZ 238
5.8 CHEMOLUMINESZENZ 239
5.8.1 GRUNDLAGEN 239
5.8.2 FRAGMENTIERUNG 240
5.8.3 BIOLUMINESZENZ 240
5.8.3.1 BESTIMMUNG VON ATP/ATPASE 240
5.8.3.2 BESTIMMUNG VON NAD(P)
H 241
5.8.3.3 BESTIMMUNG VON GLUKOSE 241
5.8.3.4 PHAGOCYTOSE 241
5.8.3.5 ULTRASCHWACHE LUMINESZENZ 242
5.9 FLUORESZENZMIKROSKOPIE 242
5.10 VERZOEGERTE LUMINESZENZ 244
5.10.1 GRUNDLAGE
N 244
5.10.2 APPARATIV
E ERFORDERNISSE 246
5.10.3 THERMOLUMINESZENZ 247
5.11 LITERATU
R ZU KAP. 5 248
6 PHOTOAKUSTISCHE SPEKTROSKOPIE 251
6.1 EINLEITUNG 251
6.2 DAS GRUNDPRINZI
P DER PHOTOAKUSTISCHEN SPEKTROSKOPIE ...
. 252
6.3 THEORIE DER PHOTOAKUSTISCHEN SPEKTROSKOPIE 254
6.3.1 UEBERBLICK 254
6.3.2 PHOTOAKUSTISCH DETEKTIERTE ABSORPTIONSSPEKTREN 258
INHALTSVERZEICHNIS XV
6.3.3 SAETTIGUNGSVERHALTEN 259
6.3.4 TIEFENPROFILE DES P4-SPEKTRUM
S 260
6.3.5 BESTIMMUNG PHOTOPHYSIKALISCHER PARAMETER MIT DER PAS . . . 263
6.4 EXPERIMENTELLE METHODIK 264
6.4.1 BLOCKSCHALTBILD 264
6.4.2 DAS SIGNAL-RAUSCH-VERHAELTNIS 265
6.4.3 PROBENKAMMER UND MIKROPHON 265
6.4.4 KORREKTUR EINES P4-SPEKTRUM
S 267
6.5 PHOTOCHEMISCH AKTIVE PROBEN 268
6.5.1 MODIFIKATION DES PA-SIGNALS 268
6.5.2 DAS FREQUENZSPEKTRUM EINES PA-SIGNALS 269
6.5.3 DAS DISSIPATIONSSPEKTRUM 271
6.5.4 DUALE BESTRAHLUNG 272
6.6 WEITERE ANWENDUNGSBEISPIELE DER PAS 273
6.6.1 CHLOROPLASTEN 273
6.6.2 EPIDERMIS 274
6.6.3 DIE AUGENLINSE 277
6.7 SPEZIELLE B4S-TECHNIKEN 278
6.7.1 PHOTO AKUSTISCHE MIKROSKOPIE 278
6.7.2 LASER-INDUZIERTE PAS 278
6.7.3 PHOTOTHERMISCHE RADIOMETRIE (PIR) 279
6.7.4 FOURIERTRANSFORMATION-INFRAROT PHOTOAKUSTISCHE SPEKTROSKOPIE
(FTIR-PAS) 280
6.8 RESUME UND AUSBLICK 280
6.9 LITERATUR ZU KAP. 6 282
7 STREUUNG, BRECHUNG, REFLEXION 285
7.1 EINLEITUNG 285
7.2 ELASTISCHE STREUUNG 288
7.2.1 HERLEITUNG DER RAYLEIGH-GLEICHUNG 288
7.2.2 MOLEKULARGEWICHTSBESTIMMUNG 291
7.2.3 STREUUNG DURCH GROESSERE PARTIKEL 295
7.2.4 FRAUNHOFER-STREUUNG 300
7.2.5 STREUINTENSITAET /
S
UND TEILCHENGROESSE 302
7.2.6 DYNAMISCHE STREUUNG 305
7.3 RAMAN-STREUUNG 309
7.4 REGENBOEGEN 313
7.5 REFLEXIONSSPEKTROSKOPIE 316
7.5.1 THEORETISCHE UEBERLEGUNGEN 316
7.5.2 EINIGE PRAKTISCHE ERGEBNISSE 319
7.6 LITERATUR ZU KAP. 7 323
XV
I
INHALTSVERZEICHNIS
8 SPEZIELLE METHODE
N IN DER OPTISCHE
N SPEKTROSKOPI
E 325
8.1 CIRCULAR-DICHROISMU
S UN
D OPTISCH
E ROTATIO
N 325
8.1.1 POLARISIERTES LICHT
: EIN
E VERALLGEMEINERUN
G 326
8.1.2 OPTISCHE ROTATIONS-DISPERSIO
N (ORD) 329
8.1.3 DE
R CIRCULAR-DICHROISMU
S (CD) 331
8.1.4 THEORETISCH
E GRUNDLAGE
N DE
S COTTORC-EFFEKT
S 338
8.1.5 DA
S CD-SPEKTROMETE
R 341
8.1.6 ANWENDUNGE
N 342
8.1.7 SCHLUSSBEMERKUNGE
N 344
8.2 SPEKTROSKOPI
E DE
R INNEREN ELEKTRONEN 344
8.2.1 ROENTGENSPEKTROSKOPIE
, EIN UEBERBLIC
K 344
8.2.1.1 THEORI
E DE
R ROENTGENSTRAHLUN
G 346
8.2.1.2 KOMPONENTE
N I
N DE
R ROENTGENSPEKTROSKOPI
E 34
8
8.2.1.3 ROENTGEN-ABSORPTIONSSPEKTROSKOPI
E 352
8.2.1.4 ROENTGEN-EMISSIONSSPEKTROSKOPI
E 353
8.2.2 ELEKTRONEN-EMISSIONS-SPEKTROSKOPI
E 355
8.2.2.1 PHOTOELEKTRONEN-SPEKTROSKOPI
E 355
8.2.2.2 AUGER-ELEKTRONEN-SPEKTROSKOPI
E 358
8.3 LITERATU
R ZU KAP
. 8 361
ANHANG 363
A DATENVERARBEITUN
G 363
A.
L DER PERSONA
L COMPUTE
R (PC) IN DE
R OPTISCHE
N SPEKTROSKOPI
E . 363
A.
2 ZAHLENSYSTEM
E UN
D ZAHLENDARSTELLUN
G 365
A.
3 AUFBAU EINE
S PC 370
A.
4 HARDWARE-SCHNITTSTELLE
N 372
A.
5 AD- UN
D DA-WANDLE
R 375
B SCHRITTMOTORE
N 380
C NATURKONSTANTE
N 382
D PERIODENSYSTE
M DE
R ELEMENT
E 383
E HERSTELLER- UN
D VERTRIEBSADRESSE
N (AUSWAHL
) 383
F LITERATU
R ZU
M ANHAN
G 391
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