Spektrometrische Analyse. A. Spektralanalyse. Abteilung für Optik und Spektroskopie

Seit der Entdeckung der „Spektralanalyse“ gibt es viele Kontroversen um diesen Begriff. Zunächst das physikalische Prinzip der Spektralanalyse implizierte eine Methode zur Identifizierung der Elementzusammensetzung einer Probe anhand eines beobachteten Spektrums, das in einer Hochtemperaturflammenquelle, einem Funken oder einem Lichtbogen angeregt wurde.

Später begann man unter der Spektralanalyse weitere Methoden der analytischen Untersuchung und Anregung von Spektren zu verstehen:

• Raman-Methoden,
• Absorptions- und Lumineszenzmethoden.

Schließlich wurden Röntgen- und Gammaspektren entdeckt. Daher ist es richtig, wenn von der Spektralanalyse die Gesamtheit aller existierenden Methoden gemeint ist. Allerdings wird das Phänomen der Identifizierung anhand von Spektren häufiger zum Verständnis von Emissionsmethoden herangezogen.

Klassifizierungsmethoden

Eine weitere Klassifizierungsmöglichkeit ist die Unterteilung in molekulare (Bestimmung der molekularen Zusammensetzung einer Probe) und elementare (Bestimmung der atomaren Zusammensetzung) Untersuchungen von Spektren.

Die molekulare Methode basiert auf der Untersuchung von Absorptions-, Raman-Streuungs- und Lumineszenzspektren; Die atomare Zusammensetzung wird aus Anregungsspektren in heißen Quellen (Moleküle werden hauptsächlich zerstört) oder aus Röntgenspektralstudien bestimmt. Eine solche Klassifizierung kann jedoch nicht streng sein, da manchmal beide Methoden übereinstimmen.

Klassifizierung spektraler Analysemethoden

Basierend auf den Problemen, die durch die oben beschriebenen Methoden gelöst werden, wird die Untersuchung von Spektren in Methoden zur Untersuchung von Legierungen, Gasen, Erzen und Mineralien, Fertigprodukten, reinen Metallen usw. unterteilt. Jedes untersuchte Objekt hat seine eigenen charakteristischen Merkmale und Standards. Zwei Hauptrichtungen der Spektrumanalyse:

1. Qualitativ
2. Quantitativ

Was dabei untersucht wird, werden wir weiter betrachten.

Diagramm der Spektralanalysemethoden

Qualitative Spektralanalyse

Die qualitative Analyse dient dazu, festzustellen, aus welchen Elementen die analysierte Probe besteht. Es ist notwendig, das Spektrum einer in einer Quelle angeregten Probe zu erhalten und anhand der erfassten Spektrallinien zu bestimmen, zu welchen Elementen sie gehören. Dadurch wird deutlich, woraus die Probe besteht. Die Schwierigkeit der qualitativen Analyse liegt in der großen Anzahl von Spektrallinien im analytischen Spektrogramm, deren Dekodierung und Identifizierung zu arbeitsintensiv und ungenau ist.

Quantitative Spektralanalyse

Die Methode der quantitativen Spektralanalyse basiert auf der Tatsache, dass die Intensität der Analyselinie mit zunehmendem Gehalt des zu bestimmenden Elements in der Probe zunimmt. Diese Abhängigkeit beruht auf vielen Faktoren, die numerisch nur schwer zu berechnen sind. Daher ist es praktisch unmöglich, theoretisch einen Zusammenhang zwischen Linienintensität und Elementkonzentration herzustellen.

Daher werden relative Messungen der Intensitäten derselben Spektrallinie durchgeführt, wenn sich die Konzentration des zu bestimmenden Elements ändert. Bleiben also die Anregungs- und Aufnahmebedingungen der Spektren unverändert, ist die gemessene Strahlungsenergie proportional zur Intensität. Die Messung dieser Energie (oder eines davon abhängigen Wertes) liefert uns den empirischen Zusammenhang, den wir zwischen dem gemessenen Wert und der Konzentration des Elements in der Probe benötigen.

Kirchhoff und Bunsen versuchten bereits 1859 erstmals eine Spektralanalyse. Die beiden schufen ein Spektroskop, das wie eine unregelmäßig geformte Röhre aussah. Auf einer Seite befand sich ein Loch (Kollimator), in das die untersuchten Lichtstrahlen fielen. Im Rohr befand sich ein Prisma; es lenkte die Strahlen ab und richtete sie auf ein anderes Loch im Rohr. Am Ausgang konnten Physiker sehen, wie Licht in ein Spektrum zerlegt wurde.

Wissenschaftler beschlossen, ein Experiment durchzuführen. Nachdem sie den Raum abgedunkelt und das Fenster mit dicken Vorhängen abgedeckt hatten, zündeten sie eine Kerze in der Nähe des Kollimatorschlitzes an, nahmen dann Stücke verschiedener Substanzen und führten sie in die Kerzenflamme ein, um zu beobachten, ob sich das Spektrum veränderte. Und es stellte sich heraus, dass die heißen Dämpfe jeder Substanz unterschiedliche Spektren ergaben! Da das Prisma die Strahlen streng trennte und keine Überlappung zuließ, war es möglich, die Substanz anhand des resultierenden Spektrums genau zu identifizieren.

Anschließend analysierte Kirchhoff das Spektrum der Sonne und entdeckte, dass in ihrer Chromosphäre bestimmte chemische Elemente vorhanden waren. Daraus entstand die Astrophysik.

Merkmale der Spektralanalyse

Für die Spektralanalyse ist eine sehr geringe Substanzmenge erforderlich. Diese Methode ist äußerst empfindlich und sehr schnell, was den Einsatz für die unterschiedlichsten Bedürfnisse nicht nur ermöglicht, sondern manchmal auch einfach unersetzlich macht. Es ist mit Sicherheit bekannt, dass jedes Periodensystem nur für sich ein spezielles Spektrum aussendet. Daher ist es bei einer korrekt durchgeführten Spektralanalyse fast unmöglich, einen Fehler zu machen.

Arten der Spektralanalyse

Die Spektralanalyse kann atomar oder molekular sein. Mithilfe der Atomanalyse kann man die atomare Zusammensetzung einer Substanz bzw. durch molekulare Analyse die molekulare Zusammensetzung ermitteln.

Es gibt zwei Möglichkeiten, das Spektrum zu messen: Emission und Absorption. Bei der Emissionsspektralanalyse wird untersucht, welches Spektrum ausgewählte Atome oder Moleküle emittieren. Dazu muss ihnen Energie zugeführt, also erregt werden. Im Gegensatz dazu wird die Absorptionsanalyse unter Verwendung des Absorptionsspektrums elektromagnetischer Untersuchungen an Objekten durchgeführt.

Durch Spektralanalyse können viele verschiedene Eigenschaften von Substanzen, Partikeln oder sogar großen physischen Körpern (z. B. Weltraumobjekten) gemessen werden. Aus diesem Grund wird die Spektralanalyse weiter in verschiedene Methoden unterteilt. Um das für eine bestimmte Aufgabe erforderliche Ergebnis zu erhalten, müssen Sie die Ausrüstung, die Wellenlänge für die Untersuchung des Spektrums sowie den Spektralbereich selbst richtig auswählen.

Spektralanalyse

Spektralanalyse- eine Reihe von Methoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung eines Objekts, basierend auf der Untersuchung der Spektren der Wechselwirkung von Materie mit Strahlung, einschließlich der Spektren elektromagnetischer Strahlung, akustischer Wellen, Massen- und Energieverteilung von Elementarteilchen, usw.

Abhängig vom Analysezweck und der Art der Spektren werden verschiedene Methoden der Spektralanalyse unterschieden. Atomar Und molekular Spektralanalysen ermöglichen die Bestimmung der elementaren bzw. molekularen Zusammensetzung eines Stoffes. Bei den Emissions- und Absorptionsmethoden wird die Zusammensetzung aus den Emissions- und Absorptionsspektren bestimmt.

Die massenspektrometrische Analyse wird anhand der Massenspektren atomarer oder molekularer Ionen durchgeführt und ermöglicht die Bestimmung der Isotopenzusammensetzung eines Objekts.

Geschichte

Dunkle Linien in Spektralstreifen wurden schon seit langem beobachtet, die erste ernsthafte Untersuchung dieser Linien wurde jedoch erst 1814 von Joseph Fraunhofer durchgeführt. Ihm zu Ehren wurde der Effekt „Fraunhofer-Linien“ genannt. Fraunhofer stellte die Stabilität der Positionen der Linien fest, stellte eine Tabelle davon zusammen (er zählte insgesamt 574 Linien) und ordnete jeder einen alphanumerischen Code zu. Nicht weniger wichtig war seine Schlussfolgerung, dass die Linien weder mit dem optischen Material noch mit der Erdatmosphäre in Zusammenhang stehen, sondern ein natürliches Merkmal des Sonnenlichts sind. Ähnliche Linien entdeckte er in künstlichen Lichtquellen sowie in den Spektren von Venus und Sirius.

Es wurde schnell klar, dass eine der deutlichsten Linien immer in Gegenwart von Natrium auftrat. 1859 kamen G. Kirchhoff und R. Bunsen nach einer Reihe von Experimenten zu dem Schluss: Jedes chemische Element hat sein eigenes einzigartiges Linienspektrum, und aus dem Spektrum der Himmelskörper kann man Rückschlüsse auf die Zusammensetzung ihrer Substanz ziehen. Von diesem Moment an tauchte in der Wissenschaft die Spektralanalyse auf, eine leistungsstarke Methode zur Fernbestimmung der chemischen Zusammensetzung.

Um die Methode zu testen, organisierte die Pariser Akademie der Wissenschaften 1868 eine Expedition nach Indien, wo eine totale Sonnenfinsternis bevorstand. Dort entdeckten Wissenschaftler: Alle dunklen Linien im Moment der Sonnenfinsternis, als das Emissionsspektrum das Absorptionsspektrum der Sonnenkorona ersetzte, wurden, wie vorhergesagt, hell vor einem dunklen Hintergrund.

Die Natur der einzelnen Linien und ihr Zusammenhang mit chemischen Elementen wurden nach und nach geklärt. 1860 entdeckten Kirchhoff und Bunsen mittels Spektralanalyse Cäsium und 1861 Rubidium. Und Helium wurde auf der Sonne 27 Jahre früher als auf der Erde entdeckt (1868 bzw. 1895).

Arbeitsprinzip

Die Atome jedes chemischen Elements haben streng definierte Resonanzfrequenzen, weshalb sie bei diesen Frequenzen Licht emittieren oder absorbieren. Dies führt dazu, dass in einem Spektroskop an bestimmten Stellen, die für jeden Stoff charakteristisch sind, Linien (dunkel oder hell) in den Spektren sichtbar sind. Die Intensität der Linien hängt von der Stoffmenge und ihrem Zustand ab. Bei der quantitativen Spektralanalyse wird der Gehalt der untersuchten Substanz anhand der relativen oder absoluten Intensitäten von Linien oder Banden in den Spektren bestimmt.

Die optische Spektralanalyse zeichnet sich durch eine relativ einfache Durchführung, das Fehlen einer komplexen Probenvorbereitung für die Analyse und eine geringe Substanzmenge (10–30 mg) aus, die für die Analyse einer großen Anzahl von Elementen erforderlich ist.

Atomspektren (Absorption oder Emission) werden erhalten, indem die Substanz durch Erhitzen der Probe auf 1000–10000 °C in einen Dampfzustand überführt wird. Bei der Emissionsanalyse leitfähiger Materialien werden als Anregungsquellen für Atome ein Funke oder ein Wechselstromlichtbogen verwendet; In diesem Fall wird die Probe in den Krater einer der Kohlenstoffelektroden gelegt. Zur Analyse von Lösungen werden häufig Flammen oder Plasmen verschiedener Gase eingesetzt.

Anwendung

In letzter Zeit haben sich emissions- und massenspektrometrische Methoden der Spektralanalyse, die auf der Anregung von Atomen und ihrer Ionisierung im Argonplasma von Induktionsentladungen sowie in einem Laserfunken basieren, am weitesten verbreitet.

Die Spektralanalyse ist eine empfindliche Methode und wird häufig in der analytischen Chemie, Astrophysik, Metallurgie, dem Maschinenbau, der geologischen Erkundung und anderen Wissenschaftszweigen eingesetzt.

In der Signalverarbeitungstheorie bedeutet Spektralanalyse auch die Analyse der Energieverteilung eines Signals (z. B. Audio) über Frequenzen, Wellenzahlen usw.

siehe auch

Wikimedia-Stiftung. 2010.

• Balten
• Nördliches Han

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Eine der wichtigsten Methoden zur Analyse der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes ist die Spektralanalyse. Basierend auf der Untersuchung seines Spektrums wird eine Analyse seiner Zusammensetzung durchgeführt. Spektralanalyse – wird in verschiedenen Studien verwendet. Mit seiner Hilfe wurde ein Komplex chemischer Elemente entdeckt: He, Ga, Cs. in der Atmosphäre der Sonne. Neben Rb, In und XI wird auch die Zusammensetzung der Sonne und der meisten anderen Himmelskörper bestimmt.

Anwendungen

Spektralkompetenz, häufig in:

1. Metallurgie;
2. Geologie;
3. Chemie;
4. Mineralogie;
5. Astrophysik;
6. Biologie;
7. Medizin usw.

Ermöglicht das Auffinden kleinster Mengen einer etablierten Substanz in den untersuchten Objekten (bis zu 10 – die Spektralanalyse ist in qualitative und quantitative unterteilt).

Methoden

Die Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes anhand des Spektrums ist die Grundlage der Spektralanalyse. Linienspektren haben eine einzigartige Persönlichkeit, genau wie menschliche Fingerabdrücke oder das Muster von Schneeflocken. Die Einzigartigkeit der Muster auf der Haut eines Fingers ist ein großer Vorteil bei der Suche nach einem Verbrecher. Dank der Besonderheiten jedes Spektrums ist es daher möglich, den chemischen Inhalt des Körpers durch Analyse der chemischen Zusammensetzung der Substanz zu bestimmen. Selbst wenn die Masse eines Elements 10 - 10 g nicht überschreitet, kann es mithilfe der Spektralanalyse in der Zusammensetzung eines komplexen Stoffes nachgewiesen werden. Dies ist eine ziemlich empfindliche Methode.

Emissionsspektralanalyse

Bei der Emissionsspektralanalyse handelt es sich um eine Reihe von Methoden zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes aus seinem Emissionsspektrum. Grundlage für die Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes – die Spektraluntersuchung – sind die Muster in den Emissionsspektren und Absorptionsspektren. Mit dieser Methode können Sie Millionstel Milligramm einer Substanz identifizieren.

Entsprechend der Etablierung der analytischen Chemie als Fachgebiet gibt es Methoden der qualitativen und quantitativen Untersuchung, deren Zweck darin besteht, Methoden zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes zu formulieren. Methoden zur Identifizierung einer Substanz sind in der qualitativen organischen Analyse von großer Bedeutung.

Anhand des Linienspektrums von Dämpfen eines Stoffes lässt sich bestimmen, welche chemischen Elemente in seiner Zusammensetzung enthalten sind, denn Jedes chemische Element hat sein eigenes spezifisches Emissionsspektrum. Diese Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes wird als qualitative Spektralanalyse bezeichnet.

Röntgenspektralanalyse

Es gibt eine andere Methode zur Identifizierung einer Chemikalie, die Röntgenspektralanalyse. Die Röntgenspektralanalyse basiert auf der Aktivierung der Atome einer Substanz, wenn diese mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird. Dieser Prozess wird Sekundär- oder Fluoreszenzstrahlung genannt. Eine Aktivierung ist auch bei Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen möglich; in diesem Fall spricht man von direkter Anregung. Durch die Bewegung von Elektronen in den tieferen inneren Elektronenschichten entstehen Röntgenlinien.

Mit der Wulff-Bragg-Formel können Sie die Wellenlängen in der Zusammensetzung der Röntgenstrahlung einstellen, wenn Sie einen Kristall einer gängigen Struktur mit einem bekannten Abstand d verwenden. Dies ist die Grundlage der Bestimmungsmethode. Die zu untersuchende Substanz wird mit Hochgeschwindigkeitselektronen beschossen. Sie platzieren es beispielsweise auf der Anode einer zerlegbaren Röntgenröhre, woraufhin es charakteristische Röntgenstrahlen aussendet, die auf einen Kristall bekannter Struktur fallen. Die Winkel werden gemessen und die entsprechenden Wellenlängen mithilfe der Formel berechnet, nachdem das resultierende Beugungsmuster fotografiert wurde.

Techniken

Derzeit basieren alle Methoden der chemischen Analyse auf zwei Techniken. Entweder beim physikalischen Test oder beim chemischen Test, Vergleich der ermittelten Konzentration mit ihrer Maßeinheit:

Körperlich

Die physikalische Technik basiert auf der Methode, eine Mengeneinheit einer Komponente mit einem Standard zu korrelieren, indem ihre physikalischen Eigenschaften gemessen werden, die von ihrem Gehalt in einer Probe der Substanz abhängen. Die funktionale Beziehung „Eigenschaftssättigung – Komponentengehalt in der Probe“ wird durch Versuche ermittelt, indem die Mittel zur Messung einer bestimmten physikalischen Eigenschaft entsprechend der installierten Komponente kalibriert werden. Aus der Kalibrierungskurve werden quantitative Beziehungen gewonnen, die in den Koordinaten „Sättigung einer physikalischen Eigenschaft – Konzentration der eingebauten Komponente“ konstruiert werden.

Chemisch

Bei der Methode zur Korrelation einer Mengeneinheit einer Komponente mit einem Standard wird eine chemische Technik verwendet. Hierbei werden die Gesetze der Erhaltung der Menge oder Masse einer Komponente bei chemischen Wechselwirkungen genutzt. Chemische Wechselwirkungen basieren auf den chemischen Eigenschaften chemischer Verbindungen. In einer Probe eines Stoffes wird eine chemische Reaktion durchgeführt, die den festgelegten Anforderungen zur Bestimmung der gewünschten Komponente entspricht, und das an der spezifischen chemischen Reaktion beteiligte Volumen oder die Masse der Komponenten gemessen. Man erhält quantitative Beziehungen, dann wird die Anzahl der Äquivalente einer Komponente für eine gegebene chemische Reaktion oder das Massenerhaltungsgesetz niedergeschrieben.

Geräte

Instrumente zur Analyse der physikalischen und chemischen Zusammensetzung eines Stoffes sind:

1. Gasanalysatoren;
2. Alarme für maximal zulässige und explosionsfähige Konzentrationen von Dämpfen und Gasen;
3. Konzentratoren für flüssige Lösungen;
4. Dichtemessgeräte;
5. Salzmessgeräte;
6. Feuchtigkeitsmesser und andere Geräte mit ähnlichem Zweck und Vollständigkeit.

Mit der Zeit nimmt die Bandbreite der analysierten Objekte zu und die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Analyse nimmt zu. Eine der wichtigsten instrumentellen Methoden zur Bestimmung der atomaren chemischen Zusammensetzung eines Stoffes ist die Spektralanalyse.

Jedes Jahr erscheinen immer mehr Instrumentenkomplexe für die quantitative Spektralanalyse. Sie produzieren auch die fortschrittlichsten Arten von Geräten und Methoden zur Spektrumaufzeichnung. Spektrallabore sind zunächst im Maschinenbau, in der Metallurgie und dann in anderen Industriezweigen organisiert. Mit der Zeit nehmen Geschwindigkeit und Genauigkeit der Analyse zu. Darüber hinaus erweitert sich der Bereich der analysierten Objekte. Eine der wichtigsten instrumentellen Methoden zur Bestimmung der atomaren chemischen Zusammensetzung eines Stoffes ist die Spektralanalyse.

Die Spektralanalyse ist eine der wichtigsten physikalischen Methoden zur Untersuchung von Stoffen. Entwickelt, um die qualitative und quantitative Zusammensetzung eines Stoffes anhand seines Spektrums zu bestimmen.

Chemiker wissen seit langem, dass Verbindungen bestimmter chemischer Elemente, wenn sie einer Flamme hinzugefügt werden, ihr charakteristische Farben verleihen. So machen Natriumsalze die Flamme gelb und Borverbindungen grün. Die Farbe eines Stoffes entsteht, wenn er entweder Wellen einer bestimmten Länge aussendet oder diese aus dem gesamten Spektrum des auf ihn einfallenden weißen Lichts absorbiert. Im zweiten Fall entspricht die für das Auge sichtbare Farbe nicht diesen absorbierten Wellen, sondern anderen – zusätzlichen, die, wenn sie zu ihnen hinzugefügt werden, weißes Licht ergeben.

Diese zu Beginn des letzten Jahrhunderts etablierten Muster wurden zwischen 1859 und 1861 verallgemeinert. Die deutschen Wissenschaftler G. Kirchhoff und R. Bunsen haben bewiesen, dass jedes chemische Element sein eigenes charakteristisches Spektrum hat. Dies ermöglichte die Schaffung einer Art Elementaranalyse – der Atomspektralanalyse, mit deren Hilfe es möglich ist, den Gehalt verschiedener Elemente in einer Probe eines Stoffes, der in einer Flamme oder in einem Strom in Atome oder Ionen zerlegt wird, quantitativ zu bestimmen Bogen. Noch bevor eine quantitative Version dieser Methode entwickelt wurde, wurde sie erfolgreich zur „Elementaranalyse“ von Himmelskörpern eingesetzt. Die Spektralanalyse hat bereits im letzten Jahrhundert dazu beigetragen, die Zusammensetzung der Sonne und anderer Sterne zu untersuchen und einige Elemente, insbesondere Helium, zu entdecken.

Mit Hilfe der Spektralanalyse wurde es möglich, nicht nur verschiedene chemische Elemente, sondern auch Isotope desselben Elements zu unterscheiden, die normalerweise unterschiedliche Spektren ergeben. Die Methode dient der Analyse der Isotopenzusammensetzung von Stoffen und basiert auf unterschiedlichen Verschiebungen der Energieniveaus von Molekülen mit unterschiedlichen Isotopen.

Röntgenstrahlen, benannt nach dem deutschen Physiker W. Röntgen, der sie 1895 entdeckte, sind einer der kurzwelligsten Teile des gesamten Spektrums elektromagnetischer Wellen und liegen zwischen ultraviolettem Licht und Gammastrahlung. Wenn Röntgenstrahlen von Atomen absorbiert werden, werden tiefe Elektronen angeregt, die sich in der Nähe des Kerns befinden und besonders fest an ihn gebunden sind. Die Emission von Röntgenstrahlen durch Atome hingegen ist mit Übergängen tiefer Elektronen von angeregten Energieniveaus zu gewöhnlichen, stationären Energieniveaus verbunden.

Beide Ebenen können abhängig von der Ladung des Atomkerns nur genau definierte Energien haben. Dies bedeutet, dass der Unterschied zwischen diesen Energien, der der Energie des absorbierten (oder emittierten) Quants entspricht, auch von der Ladung des Kerns abhängt und die Strahlung jedes chemischen Elements im Röntgenbereich des Spektrums eine Menge ist von für dieses Element charakteristischen Wellen mit genau definierten Schwingungsfrequenzen.

Die Röntgenspektralanalyse, eine Art Elementaranalyse, basiert auf der Nutzung dieses Phänomens. Es wird häufig für die Analyse von Erzen, Mineralien sowie komplexen anorganischen und elementorganischen Verbindungen eingesetzt.

Es gibt andere Arten der Spektroskopie, die nicht auf Strahlung, sondern auf der Absorption von Lichtwellen durch Materie basieren. Sogenannte Molekülspektren werden in der Regel dann beobachtet, wenn Stofflösungen sichtbares, ultraviolettes oder infrarotes Licht absorbieren; In diesem Fall findet keine Zersetzung der Moleküle statt. Wenn sichtbares oder ultraviolettes Licht normalerweise auf Elektronen einwirkt und sie auf neue, angeregte Energieniveaus ansteigen lässt (siehe Atom), dann regen Infrarotstrahlen (Wärmestrahlen), die weniger Energie tragen, nur Schwingungen miteinander verbundener Atome an. Daher sind die Informationen, die diese Arten der Spektroskopie Chemikern liefern, unterschiedlich. Wenn man aus dem Infrarot-(Schwingungs-)Spektrum etwas über das Vorhandensein bestimmter Atomgruppen in einem Stoff erfährt, dann enthalten Spektren im ultravioletten (und bei farbigen Stoffen – im sichtbaren) Bereich Informationen über die Struktur der lichtabsorbierenden Gruppe als ein ganzes.

Bei organischen Verbindungen liegt solchen Gruppen in der Regel ein System ungesättigter Bindungen zugrunde (siehe Ungesättigte Kohlenwasserstoffe). Je mehr Doppel- oder Dreifachbindungen sich in einem Molekül mit einfachen abwechseln (also je länger die Konjugationskette ist), desto leichter werden die Elektronen angeregt.

Molekularspektroskopische Methoden werden nicht nur zur Bestimmung der Struktur von Molekülen verwendet, sondern auch zur genauen Messung der Menge einer bekannten Substanz in einer Lösung. Besonders geeignet sind hierfür Spektren im ultravioletten oder sichtbaren Bereich. Absorptionsbanden in dieser Region werden normalerweise bei einer Konzentration gelöster Stoffe in der Größenordnung von Hundertstel und sogar Tausendstel Prozent beobachtet. Ein Sonderfall einer solchen Anwendung der Spektroskopie ist die Kolorimetriemethode, die häufig zur Messung der Konzentration farbiger Verbindungen eingesetzt wird.

Atome einiger Stoffe sind auch in der Lage, Radiowellen zu absorbieren. Diese Fähigkeit manifestiert sich, wenn eine Substanz in das Feld eines starken Permanentmagneten gebracht wird. Viele Atomkerne haben ihr eigenes magnetisches Moment – ​​den Spin, und in einem Magnetfeld erweisen sich Kerne mit ungleicher Spinorientierung als energetisch „ungleich“. Diejenigen, deren Spinrichtung mit der Richtung des angelegten Magnetfelds übereinstimmt, befinden sich in einer günstigeren Position, und andere Orientierungen beginnen in Bezug auf sie die Rolle von „angeregten Zuständen“ zu spielen. Dies bedeutet nicht, dass ein Kern in einem günstigen Spinzustand nicht in einen „angeregten“ Zustand übergehen kann; Der Unterschied in den Energien der Spinzustände ist sehr gering, aber dennoch ist der Prozentsatz der Kerne in einem ungünstigen Energiezustand relativ gering. Und je stärker das angelegte Feld ist, desto kleiner ist es. Die Kerne scheinen zwischen zwei Energiezuständen zu oszillieren. Und da die Frequenz solcher Schwingungen der Frequenz von Radiowellen entspricht, ist auch Resonanz möglich – die Absorption von Energie aus einem elektromagnetischen Wechselfeld mit der entsprechenden Frequenz, was zu einem starken Anstieg der Anzahl der Kerne im angeregten Zustand führt.

Dies ist die Grundlage für die Arbeit von Kernspinresonanzspektrometern (NMR), die in der Lage sind, das Vorhandensein von Atomkernen in einer Substanz nachzuweisen, deren Spin gleich 1/2 ist: Wasserstoff 1H, Lithium 7Li, Fluor 19F, Phosphor 31P usw sowie Isotope von Kohlenstoff 13C, Stickstoff 15N, Sauerstoff 17O usw.

Je stärker der Permanentmagnet ist, desto höher ist die Empfindlichkeit solcher Geräte. Mit der magnetischen Feldstärke steigt auch die Resonanzfrequenz, die zur Anregung von Kernen benötigt wird. Sie dient als Maß für die Klasse des Geräts. Spektrometer der Mittelklasse arbeiten mit einer Frequenz von 60-90 MHz (bei der Aufnahme von Protonenspektren); kühlere - mit einer Frequenz von 180, 360 und sogar 600 MHz.

Hochwertige Spektrometer – sehr genaue und komplexe Instrumente – ermöglichen nicht nur den Nachweis und die quantitative Messung des Gehalts eines bestimmten Elements, sondern auch die Unterscheidung der Signale von Atomen, die chemisch „ungleiche“ Positionen im Molekül einnehmen. Und durch die Untersuchung der sogenannten Spin-Spin-Wechselwirkung, die unter dem Einfluss des Magnetfelds benachbarter Kerne zur Aufspaltung von Signalen in Gruppen schmaler Linien führt, kann man viel Interessantes über die den Kern umgebenden Atome erfahren Studie. Mit der NMR-Spektroskopie können Sie 70 bis 100 % der Informationen erhalten, die beispielsweise zur Aufklärung der Struktur einer komplexen organischen Verbindung erforderlich sind.

Eine andere Art der Radiospektroskopie – die Elektronen-Paramagnetische Resonanz (EPR) – basiert auf der Tatsache, dass nicht nur Kerne, sondern auch Elektronen einen Spin von 1/2 haben. Die EPR-Spektroskopie ist die beste Möglichkeit, Teilchen mit ungepaarten Elektronen – freie Radikale – zu untersuchen. EPR-Spektren ermöglichen ebenso wie NMR-Spektren nicht nur viel über das „Signal“-Teilchen selbst zu erfahren, sondern auch über die Natur der es umgebenden Atome. EPR-Spektroskopiegeräte sind sehr empfindlich: Zur Aufnahme des Spektrums reicht meist eine Lösung aus, die mehrere hundert Millionstel Mol freie Radikale pro Liter enthält. Und ein Gerät mit Rekordempfindlichkeit, das kürzlich von einer Gruppe sowjetischer Wissenschaftler entwickelt wurde, ist in der Lage, das Vorhandensein von nur 100 Radikalen in einer Probe nachzuweisen, was ihrer Konzentration von etwa 10 -18 mol/l entspricht.