Werkstoffprüfung: Wie funktioniert eigentlich Spektrometrie?

Die Spektrometrie wird in zahlreichen Bereichen der Physik, Chemie und Technik eingesetzt – von der Untersuchung atomarer Strukturen bis zur Analyse chemischer Reaktionen. Im Fokus dieses Beitrags stehen spektrometrische Verfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Werkstoffen, insbesondere die optische Emissionsspektrometrie (OES) und die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA).

Um die Funktionsweise zu verstehen, lohnt sich zunächst ein Blick auf die atomaren Grundlagen.

Atommodell und Elektronenschalen

Betrachten wir ein vereinfachtes Atommodell, in dem Elektronen den Atomkern auf definierten Bahnen – den sogenannten Schalen – umgeben. Diese Schalen besitzen eine begrenzte Aufnahmekapazität.

Am Beispiel eines Magnesiumatoms mit 12 Elektronen lässt sich das veranschaulichen: Zwei Elektronen befinden sich auf der innersten Schale. Die zweite Schale gliedert sich in zwei Unterschalen mit einer maximalen Besetzung von 2 beziehungsweise 6 Elektronen. Die dritte Schale besteht aus drei Unterschalen mit Kapazitäten von 2, 6 und 10 Elektronen; beim Magnesium ist hiervon lediglich die erste Unterschale mit zwei Elektronen besetzt.

Die maximale Elektronenzahl pro Schale darf nicht überschritten werden, wohl aber unterschritten – etwa nach einer Anregung. Die prinzipielle Abfolge der möglichen Besetzungen ist für alle chemischen Elemente identisch (2, 2+6, 2+6+10, …). Auch die Elektronenhülle des Wasserstoffatoms verfügt über all die genannten Elektronenschalen, sein einziges Elektron hält sich aber „üblicherweise“ auf der innersten Schale auf.

Energiezustände und Stabilität

Unterschiede ergeben sich aus der tatsächlichen Elektronenzahl sowie aus den energiemäßigen Eigenschaften der jeweiligen Schalen. Entscheidend ist: Jede Elektronenschale ist mit einem bestimmten Energieniveau verknüpft. Diese Energien sind elementspezifisch – und damit charakteristisch für jedes chemische Element.

Je größer der Abstand eines Elektrons vom Atomkern, desto höher ist sein Energieniveau. Elektronen streben jedoch energetisch stabile Zustände an, also möglichst niedrige Energien. Die Plätze pro Schale sind aber streng limitiert. Sind die inneren Schalen vollständig besetzt, verbleiben weitere Elektronen zwangsläufig auf äußeren, energiereicheren Schalen.

Diese Zusammenhänge bilden die atomphysikalische Grundlage der Spektralanalyse. Aber wie sieht deren Umsetzung praktisch aus?

Spektrometrie Teilschritt 1: Anregung der Probe

Der erste Schritt ist die Anregung. Dabei wird der Probe Energie zugeführt, um Elektronen aus ihren stabilen Zuständen auf höhere Energieniveaus zu heben oder aus inneren Schalen zu entfernen. Die Art der Energiezufuhr hängt vom Verfahren ab:

• Bei ICP-Verfahren (induktiv gekoppeltes Plasma) erfolgt die Anregung durch elektromagnetische Felder.
• Bei der OES durch Funken- oder Bogenanregung mittels elektrischen Stroms.
• Bei der RFA durch energiereiche Röntgenstrahlung,
• Bei der Flammenspektrometrie durch thermische Energie einer Flamme.

Ziel ist es, energetisch angeregte oder instabile Zustände zu erzeugen.

Spektrometrie Teilschritt 2: Emission charakteristischer Strahlung

Wird auf einer inneren Schale ein Elektronenplatz frei, wird dieser rasch von einem Elektron aus einer äußeren Schale besetzt. Dabei gibt das Elektron die Differenzenergie zwischen beiden Energieniveaus ab.

Diese Energie wird in Form elektromagnetischer Strahlung emittiert. Die Energie – beziehungsweise die Wellenlänge – dieser Strahlung entspricht exakt der Energiedifferenz der beteiligten Schalen. Da diese Energien elementspezifisch sind, ist auch die emittierte Strahlung eindeutig einem chemischen Element zuzuordnen. Man kann sie als elektromagnetischen Fingerabdruck des jeweiligen Elements verstehen.

Spektrometrie Teilschritt 3: Zerlegung in Spektrallinien

Nach der Anregung enthält das emittierte Strahlungsfeld Beiträge sämtlicher in der Probe vorhandener Elemente und ihrer möglichen Elektronenübergänge. Diese Überlagerung muss spektral zerlegt werden, um sie anschließend nach Ihrer Energie (und damit nach dem jeweiligen chemischen Element) „sortieren“ zu können.

Im Spektrometer geschieht dies typischerweise durch Beugung an einem optischen Gitter. Die Strahlung wird in ihre einzelnen Wellenlängen – die Spektrallinien – aufgespalten. Jede Linie steht für einen spezifischen Elektronenübergang eines bestimmten Elements.

Bei der Analyse komplexer Werkstoffe wie Stahl entstehen dabei tausende Spektrallinien, beispielsweise von Eisen, Kohlenstoff, Silizium oder Mangan. Moderne Hochleistungsspektrometer erfassen diese simultan und mit hoher spektraler Auflösung.

Spektrometrie Teilschritt 4: Energie- und Intensitätsanalyse

Im nächsten Schritt werden zwei Größen ausgewertet:

• Die Energie (bzw. Wellenlänge) der Spektrallinien liefert die qualitative Information – also welche Elemente enthalten sind.
• Die Intensität der jeweiligen Linie liefert die quantitative Information – also in welcher Konzentration das Element vorliegt.

Physikalisch betrachtet ist die Intensität proportional zur Anzahl der emittierten Photonen eines bestimmten Übergangs. Je höher die Konzentration eines Elements in der Probe, desto mehr entsprechende Elektronenübergänge finden statt – und desto intensiver ist die zugehörige Spektrallinie.

Spektrometrie Teilschritt 5: Kalibrierung und Ergebnisdarstellung

Das Spektrometer misst zunächst ausschließlich physikalische Größen: Energien und Intensitäten. Für den Anwender relevant sind jedoch Elementbezeichnungen und Konzentrationswerte.

Die Zuordnung erfolgt über hinterlegte Kalibrierkurven (Programme). In der Datenbank des Geräts sind Referenz- und Kalibrierkurven gespeichert, die folgende Zusammenhänge abbilden:

• Energie → chemisches Element (z.B. mit Hilfe der Ordnungszahl)
• Intensität → Konzentration

Die gemessenen Daten werden mit diesen Kalibrierfunktionen abgeglichen. Die Qualität und Aktualität der Kalibrierung sind dabei entscheidend für die analytische Präzision und Reproduzierbarkeit. Je präziser die Kalibrierkurven sind, desto präziser ist auch die auf dem Monitor des Spektrometers angezeigte chemische Analyse.

Fazit Spektrometrie: Vom Elektronenübergang zur Werkstoffanalyse

Spektrometrie nutzt einen fundamentalen physikalischen Effekt: Elektronen werden energetisch angeregt und kehren anschließend in stabile Zustände zurück. Die dabei emittierte Strahlung trägt alle notwendigen Informationen über Art und Menge der enthaltenen Elemente.

Oder bildlich gesprochen: Spektrometrie ist wie kollektives bungee jumping für Elektronen. Wir versetzen Elektronen in Bewegung – und lesen aus ihren „Rückkehrsignalen“ die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffs aus. Für die moderne Metallographie und Werkstoffprüfung ist dieses Prinzip eine der zentralen analytischen Grundlagen.

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