Spektralanalyse

Zu den Sternen fliegen

Sollen andere; auch wenn wir alle dieselbe Technik nutzen. Egal ob Weltraumforschung – wie in diesem Bild der ETH Zürich der Polarring-Galaxie NGC 4650A im Sternbild Zentaur – oder im Schmelzbetrieb der Eisengiesserei Brechmann-Guss; wir nutzen alle eine grundlegende Entdeckung der Herrn Kirchhoff, Foucault und Bunsen aus der Mitte des 19. Jahrhunderts, als es gelang, Emissionsspektren von Natrium und anderen Elementen zu identifizieren und mit den Fraunhofer-Linien des Sonnenspektrums (Atomspektroskopie) in Verbindung zu bringen.

Emissionsspektralanalyse

Zur Erläuterung des Verfahrens gehen wir von einem einfachen Atommodell aus, in dem die Elektronen den Atomkern auf ganz bestimmten Bahnen (Schalen) umkreisen, wobei jede Schale nur eine bestimmte Anzahl an Elektronen aufnehmen kann. Die Anzahl der Elektronen pro Schale kann unterschritten werden, darf aber niemals überschritten werden Jedes Elektron hat auf seiner Schale eine bestimmte Energie, die charakteristisch für das konkrete chemische Element sind.

Eine Art Fingerabdruck

Je weiter weg vom Kern die Bahn eines Elektrons verläuft, desto mehr Energie hat das Elektron. Es würde würde sich aber am „liebsten“ auf den weiter innen liegenden Schalen aufhalten, denn Atome streben einen Zustand minimaler Energie an. Wird auf einer inneren Schale ein Platz frei, dann wird dieser umgehend durch ein Elektron besetzt, das sich weiter außen befindet. Auf der äußeren Schale hat das Elektron jedoch mehr Energie als auf der inneren Schale.

Diese Energie muss das Elektron abgeben, wenn es nach Innen springen will. Das geschieht durch Emission von Strahlung. Die abgegebene Strahlung entspricht der Energiedifferenz zwischen der Schale, von der das Elektron springt und der Schale, auf die das Elektron springt. Da aber die Energien der beiden Schalen charakteristisch für das jeweilige chemische Element sind, ist es auch deren Energiedifferenz. In anderen Worten: Die freigesetzte Strahlung kennzeichnet das jeweils angeregte chemische Element absolut eindeutig – eine Art Fingerabdruck.

Diesen Effekt nutzt die Elektronenstrahlspektroskopie

Es wird Energie zugeführt (die aufgelegte Talerprobe wird im Gerät unter Spannung gesetzt) – die Elektronen „springen“ und emittieren Strahlung. Im Spektrometer erfolgt die Zerlegung der von den Elektronen ausgesandten Strahlung für die nachfolgende Spektralanalyse.

Moderne Hochleistungsspektrometer

Wenn ein modernes Spektrometer eine Gusseisenprobe mit vielen chemischen Elementen analysiert, entstehen unzählige Spektrallinien (die des Eisens, des Kohlenstoffs, des Siliziums, …). Ein modernes Hochleistungsspektrometer „sieht“ nach der Zerlegung der Strahlung Tausende von Spektrallinien.

Rechnerisch analysiert das Gerät Energie und Intensität der Spektrallinien. Die Energien der Spektrallinien geben Auskunft über die chemischen Elemente, aus denen die Probe zusammengesetzt ist. Die Intensitäten der Spektrallinien geben Auskunft über die Konzentration der jeweiligen chemischen Elemente in der Probe. Im Abgleich mit den Kalibrierkurven aus der geräteinternen Datenbank wird detailliert die chemische Zusammensetzung der untersuchten Probe bestimmt.

Chemische Analyse

Die Messeinheit des Spektrometers leitet also die gemessenen Energien und Intensitäten an den Computer des Spektrometers weiter, der „schaut“ in seiner Kalibrierkurven-Datenbank nach und kann so jeder Messung eine chemische Analyse zuordnen. So lässt sich jeder „Talerprobe“ die chemische Zusammensetzung zuordnen – gleichgültig, ob Gusseisen mit Kugelgraphit, Gusseisen mit Lamellengraphit, mit SiMo legiert oder hoch-nickelhaltig (Ni-Resist).

Ähnlich arbeiten auch die Astonomen oder Astrophysiker der ETH Zürich: sie messen Licht und machen sich ihre Gedanken über das Weltall und seine Entstehung…

Unsere Zielstellung ist da etwas anders, aber auch für uns gilt: Qualität ist unser Maßstab!