Spektroskopie

An einem Augustabend 1864 richtete der englische Amateurastronom William Huggins sein Spektroskop auf den Planetarischen Nebel NGC 6543 und sah statt des kontinuierlichen Spektrums eines Sterns drei helle Emissionslinien vor dunklem Grund. Der Nebel war glühendes Gas, keine unaufgelöste Sternansammlung — doch lesen ließen sich die Linien nicht ohne Weiteres: Eine ordnete Huggins dem Wasserstoff zu, die beiden hellsten blieben jahrzehntelang unbestimmt, wurden einem vermeintlichen Element namens „Nebulium“ zugeschrieben und erst 1928 als verbotene Linien des zweifach ionisierten Sauerstoffs erkannt. Fünf Jahre zuvor hatten Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen in Heidelberg verkündet, jedes Element bringe sein eigenes charakteristisches Muster von Spektrallinien hervor — einen Fingerabdruck im Licht. Cecilia Payne-Gaposchkin las 1925 in ihrer Dissertation stellare Absorptionslinien mit der neuen Quantentheorie der Atomspektren und schloss daraus, die Sonne bestehe ganz überwiegend aus Wasserstoff und Helium. Das Ergebnis widersprach der herrschenden Lehre so sehr, dass ihr Doktorvater Henry Norris Russell sie drängte, es abzuschwächen — und später einräumte, dass sie recht gehabt hatte.

Verschiedene Frequenzen elektromagnetischer Strahlung tasten verschiedene physikalische Vorgänge in der Materie ab, und die Quantenmechanik gibt vor, dass Atome und Moleküle nur diskrete Energiezustände einnehmen: Ein Übergang zwischen zwei Zuständen verschluckt oder erzeugt ein Photon, dessen Energie genau der Lücke entspricht (ΔE = hν). Weil jede Art von Übergang in einem anderen Energiebereich liegt, trägt jedes spektroskopische Verfahren eine andere Auskunft. Rotationsübergänge liegen im Mikrowellenbereich, Schwingungsübergänge im Infraroten, Übergänge der Valenzelektronen im Ultravioletten und Sichtbaren, die der kernnahen Elektronen im Röntgenbereich, Kernübergänge im Gammabereich. Das Infrarot erkennt funktionelle Gruppen an ihren charakteristischen Streckschwingungen; das UV/Vis ist das Zugpferd für Chromophore und Übergangsmetallkomplexe; die Röntgenfluoreszenz weist Elemente nach, die Röntgenbeugung bestimmt Kristallstrukturen brief 281; die Radioastronomie hat über 250 verschiedene Moleküle in interstellaren Wolken an ihren Mikrowellen-Rotationslinien nachgewiesen. Für die organische Chemie und die Biologie ragen zwei Verfahren heraus. Die NMR-Spektroskopie — Kernspinübergänge in einem starken Magnetfeld — ist das mächtigste Einzelwerkzeug, um Molekülstrukturen in Lösung aufzuklären; der Nobelpreis 1991 an Richard Ernst würdigte die Fourier-Transform-NMR, der Nobelpreis 2002 an Kurt Wüthrich dehnte sie auf Proteinstrukturen aus. Die Massenspektrometrie — Ionisierung erzeugt Ionen in der Gasphase, Massenanalysatoren trennen sie nach m/z — brachte John Fenn und Koichi Tanaka den Chemie-Nobelpreis 2002 für ESI und MALDI ein, jene Verfahren, die sie für biologische Moleküle zur Routine machten. Die astronomische Spektroskopie trägt dieselbe Physik bis in extreme Entfernungen: Die Dopplerverschiebung verrät die Radialgeschwindigkeit von Exoplaneten, und die Transmissionsspektroskopie transitierender Exoplaneten weist Moleküle in deren Atmosphären nach.