Spektral|apparate,
Spektralgeräte, übergeordneter Begriff für Geräte zur Zerlegung einer elektromagnetischen Strahlung nach ihren Wellenlängen (beziehungsweise Frequenzen) und zur Aufnahme des entsprechenden Spektrums; i. w. Spektralapparate auch zur Registrierung materieller Teilchenstrahlung in einem Energie- oder Massenspektrum. Für die Analyse elektromagnetischer Strahlung werden je nach Frequenzbereich Gammaspektrometer, Röntgenspektrometer (Röntgenspektroskopie), optische Spektralapparate und Mikrowellenspektralapparate (Mikrowellenspektroskopie) eingesetzt. Teilchenstrahlung wird je nach Anwendung durch geeignete Geräte analysiert (z. B. Massenspektrograph, Betaspektrometer, Neutronenspektrometer).
Ein optischer Spektralapparat besteht prinzipiell aus drei Grundbestandteilen: 1) einer Strahlungsquelle zur Anregung des zu untersuchenden Spektrums, 2) dem eigentlichen Spektralteil, der sich aus einem Strahlen sammelnden System (Spalt- und Kollimatorlinse) und einem wellenlängenselektiven Element (Monochromator) zur räumlichen Trennung der Strahlung verschiedener Wellenlänge zusammensetzt sowie 3) dem Detektor (Empfänger- beziehungsweise Registrierteil) zur Messung der Lichtintensität und einem Anzeigeinstrument. Für die spektrale Zerlegung des Lichts werden v. a. die Dispersion der Brechzahl (Prismenspektralapparate) und die Abhängigkeit der Beugung und Interferenz von der Wellenlänge (Gitterspektralapparate, Interferenzspektralapparate) ausgenutzt. Da ein Gitter das einfallende Licht auf mehrere Beugungsordnungen verteilt, die sich im Spektrum überlappen können, ist bei Gitterspektralapparaten in der Regel eine zusätzliche Vorzerlegung der Strahlung durch einen Interferenzfilter oder ein Prisma nötig. Als abbildende Elemente werden in optischen Spektralapparaten meist Hohlspiegel benutzt, die gegenüber Linsen den Vorteil bieten, dass sie frei von chromatischen Abbildungsfehlern sind. Im UV-Spektralbereich unter 180 nm werden selbstfokussierende Konkavgitter (Rowland-Gitter) verwendet, die keine zusätzlichen abbildenden optischen Bauelemente erfordern.
Je nach Art der Beobachtung und Detektion des Spektrums werden Spektralapparate in Spektroskope, Spektrographen und Spektrometer unterteilt. Das Spektroskop dient der visuellen Beobachtung eines Spektrums. Es besitzt einen Eingangsspalt, der über Kollimator und Objektiv in die Okularbrennebene eines (schwenkbaren) Fernrohrs abgebildet wird. Im parallelen Strahlengang zwischen Kollimator und Objektiv steht ein Prisma oder ein Beugungsgitter. In das Gesichtsfeld kann eine Wellenlängenskala eingespiegelt werden. Bei der einfachsten Ausführung, dem Taschenspektroskop, wird das von einem Geradsichtprisma erzeugte Spektrum ohne Fernrohr beobachtet. - Im Spektrographen wird das Spektrum objektiv erfasst, z. B. auf einer Fotoplatte oder mit einem anderen, für die zu analysierende Strahlung geeigneten photoelektrischen Detektor (z. B. optischer Vielkanalanalysator), die jeweils in der Brennebene des Objektivs stehen. Zur Ausblendung einer Linie oder eines schmalen Spektralbereiches aus einem Spektrum dient ein Monochromator. Er besitzt in der Brennebene des Objektivs einen Austrittsspalt, an dem das Spektrum bei einer Drehung des Prismas oder Gitters vorbeiwandert. Häufig werden zwei Monochromatoren in Serie verwendet (Doppelmonochromator). - Beim Spektralphotometer, einer Kombination aus Spektralapparat und Photometer, wird das durch den Austrittsspalt des Monochromators tretende Licht auf eine Probe geschickt, deren optische Eigenschaften (Transmission, Absorption, Reflexion) bestimmt werden sollen (Spektralphotometrie). Die von der Probe transmittierte oder reflektierte Lichtintensität wird mit einem Photodetektor (Photozelle, Photomultiplier, Photo- beziehungsweise Thermoelement oder Bolometer) in Abhängigkeit von der Wellenlänge registriert. - Das klassische optische Spektrometer zur genauen quantitativen Bestimmung der Wellenlänge von Spektrallinien hat einen dreh- und justierbaren Prismen- oder Gittertisch sowie geeichte Skalen zur genauen Messung der Winkelablenkung der Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge. Moderne optische Spektralapparate ermöglichen neben der Messung der Wellenlänge auch die quantitative Bestimmung der zugehörigen Intensität und sind damit zugleich Spektralphotometer.
Die wichtigsten Kriterien für die Leistungsfähigkeit eines optischen Spektralapparats sind der Transmissionsgrad oder die Lichtstärke sowie das Auflösungsvermögen λ / Δλ (Δλ ist die kleinste gerade noch unterscheidbare Wellenlängendifferenz bei der Wellenlänge λ). Die Auflösung von Gitter- und Prismenspektralapparaten wird durch die Anzahl der Linien des Gitters beziehungsweise durch die Winkeldispersion und Basisbreite des Prismas begrenzt. Gitter, die mit bis etwa 6 000 Linien/mm und Größen von 150 ☓ 150 mm hergestellt werden können, erreichen eine sehr viel größere Auflösung (105 bis 106) als Prismenspektralapparate. Zur Untersuchung sehr kleiner Spektralbereiche werden Interferenzspektralapparate (Fabry-Pérot-Interferometer, Lummer-Gehrcke-Platte) eingesetzt, die bei großem Gangunterschied der interferierenden Teilbündel (10 cm bis 1 m) ein Auflösungsvermögen von 108 bis 109 erreichen können.
Spektroskopische Untersuchungen im Infrarotbereich werden häufig mit Fourier-Spektrometern (Fourier-Spektroskopie) durchgeführt. Mit photoakustischen Spektrometern lassen sich Absorptionsspektren unter Ausnutzung des photoakustischen Effekts auf indirekte Weise messen, wobei derjenige Anteil der bei der Bestrahlung in der Probe absorbierten Energie als Nachweissignal dient, der durch strahlungslose Übergänge in Wärme umgewandelt wird (photoakustische Spektrometrie).
Heute werden in der Spektroskopie in zunehmendem Maße abstimmbare Laser verwendet, die bei hoher Intensität und Monochromasie ihrer Strahlung gleichzeitig die Funktion der Strahlungsquelle und die des wellenlängenselektiven Elements in einem Spektralapparat übernehmen (Laserspektrometer). Im sichtbaren Spektralbereich werden dazu v. a. Farbstofflaser verwendet, im ultravioletten Bereich Excimerlaser, im Infraroten Halbleiter- und Moleküllaser.
Literatur: Spektroskopie.
Universal-Lexikon. 2012.