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Über dieses Buch

Florian Hinderer bietet in diesem essential eine leicht verständliche Einführung in Methoden der optischen Spektroskopie. Kurz und präzise, strukturiert und gut zu lesen vermittelt er die Grundlagen der UV/Vis-Absorptions- und Fluoreszenz-Spektroskopie. Vom Grundprinzip und den typischen Anwendungsgebieten der UV/Vis-Absorptions-Spektroskopie führt der Autor zu einem detaillierten Verständnis dieser Methode. Er gibt dafür einen Überblick über Grundlagen zu Auswahlregeln und zeigt die typischen Spektren organischer und anorganischer Moleküle. Ein Kapitel zu den Konzepten der Fluoreszenz-Spektroskopie sowie weiterführende Literatur runden das essential ab.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Chapter 1. Prinzip der UV/Vis-Absorptions- und Fluoreszenz-Spektroskopie

Zusammenfassung
Moleküle besitzen diskrete Eigenzustände, welche durch die dazugehörigen Eigenfunktionen Ψn(n = 1, 2,…) und Eigenwerte En definiert sind. Infolge der Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten (UV, 220–380 nm) und sichtbaren Bereich (Vis, englisch: visible, 380–800 nm) können Elektronen aus einem besetzten in energetisch höher liegende unbesetzte Orbitale übergehen. Oftmals handelt es sich hierbei um Übergänge zwischen dem höchsten besetzten (highest occupied molecular orbital, HOMO) und niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO). Natürlich muss für die Energiedifferenz der beiden am Übergang beteiligten Orbitale die Resonanzbedingung ΔE = hv erfüllt sein, wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum und v die Frequenz des Photons sind.
Florian Hinderer

Chapter 2. Anwendungsgebiete

Zusammenfassung
Anders als zum Beispiel die NMR-Spektroskopie sind die UV/Vis-Absorptions- und Fluoreszenz-Spektroskopie keine absoluten Methoden zur Strukturaufklärung. Jedoch lassen sich durch die Lage, Form, Intensität sowie Anzahl der Banden wichtige Moleküleigenschaften ableiten. Während elektronische Übergänge unmittelbar nach Absorption von Photonen geeigneter Wellenlänge stattfinden (~10–15 s) und die UV/Vis-Absorptionsspektroskopie folglich vorwiegend nur Informationen über sich im Grundzustand befindliche Moleküle liefert, kann der elektronisch angeregte Zustand verhältnismäßig langlebig (~10–9 s) sein.
Florian Hinderer

Kapitel 3. Konzept der UV/Vis-Absorptionsspektroskopie

Zusammenfassung
Grundsätzlich können Absorptionsspektren sowohl von Feststoffen als auch in der Gasphase gemessen werden, jedoch bringt man die zu untersuchende Substanz in der Regel vorher in Lösung. Je nach Absorptionsvermögen der Substanz reichen dabei bereits relativ geringe Konzentrationen von 10–6 bis 10–9 mol L−1. Bei der Wahl des Lösungsmittels sollte man neben der Löslichkeit auch darauf achten, dass es nicht selbst zu stark in dem zu messenden Bereich absorbiert.
Florian Hinderer

Chapter 4. Auswahlregeln

Zusammenfassung
Infolge der Dipol-Wechselwirkung zwischen einem externen elektromagnetischen Strahlungsfeld und einem Molekül können Übergange zwischen zwei stationären Zuständen, z. B. dem Grundzustand (\({\Psi }_{\mathrm{g}}\)) und einem angeregten Zustand (\({\Psi }_{\mathrm{a}}\)), erfolgen. \({\Psi }_{\mathrm{g}}\) und \({\Psi }_{\mathrm{a}}\) sind jeweils Einelektronen-Zustandsfunktionen, die durch den Aufenthaltsort des Elektrons und der Orientierung dessen Spins definiert sind. Quantenmechanisch lassen sich die Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung mittels der zeitabhängigen Störungstheorie beschreiben (Reinhold 2006). Der Störoperator ist dabei der elektrische Dipoloperator \({\overrightarrow{\upmu }}_{\mathrm{el}}=\mathrm{e}\overrightarrow{\mathrm{r}}\) (e = Elementarladung,\(\overrightarrow{\mathrm{r}}\) = Ortsvektor), dessen Erwartungswert \({\overrightarrow{\upmu }}_{\mathrm{a},\mathrm{g}}\) auch Übergangsdipolmoment genannt wird.
Florian Hinderer

Chapter 5. Spektren anorganischer Moleküle

Zusammenfassung
In diesem Kapitel beschränken wir uns ausschließlich auf die Photophysik der Übergangsmetallkomplexe. Durch repulsive Wechselwirkungen mit den Liganden werden die ursprünglich energetisch entarteten d-Orbitale des Zentralatoms aufgespalten. Zwischen diesen Zuständen können nun optische Übergänge stattfinden, die aufgrund ihres Energieunterschiedes im UV- und sichtbaren Bereich des Spektrums liegen.
Florian Hinderer

Kapitel 6. Spektren organischer Moleküle

Zusammenfassung
Im Folgenden wollen wir uns nun etwas genauer mit dem photophysikalischen Prozess der Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch organische Moleküle beschäftigen. In ihrem Grundzustand besitzen diese für gewöhnlich eine gerade Anzahl an Elektronen, wobei sich jeweils zwei Elektronen mit zueinander antiparallel orientierten Spins in einem Orbital befinden. Da alle Molekülorbitale vollständig gefüllt sind, verhalten sich solche Verbindungen diamagnetisch. Aus dem resultierenden Gesamtspin von 0 lässt sich somit eine Multiplizität von M = 2 S + 1 = 1 herleiten.
Florian Hinderer

Chapter 7. Konzept der Fluoreszenz-Spektroskopie

Zusammenfassung
Wie wir in den vorangegangenen Kapiteln gelernt haben, können Moleküle mit einer chromophoren Einheit durch Absorption eines Photons in elektronisch angeregte Zustände übergehen. Hierbei führen die damit einhergehenden Änderungen vorhandener Schwingungs- und Rotationszustände mitunter zu sehr komplexen und linienreichen Spektren. Infolgedessen bieten sich für angeregte Zustände verschiedenste Möglichkeiten unter Abgabe von Energie wieder in ihren Grundzustand zurückzukehren.
Florian Hinderer

Backmatter

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