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[[Datei:Spiritusflamme mit spektrum.png|mini|Spiritusflamme und ihr Spektrogramm]]

'''Spektroskopie''' bezeichnet eine Gruppe physikalischer Methoden, die eine [[Strahlung]] nach einer bestimmten Eigenschaft wie Wellenlänge, Energie, Masse etc. [[Dispersion (Physik)|zerlegen]] (analysieren). Die dabei auftretende Intensitätsverteilung wird [[Spektrum (Physik)|Spektrum]] genannt.

'''Spektrometrie''' ist die quantitative Ausmessung von Spektren mittels eines [[Spektrometer]]s. Die Aufzeichnungsmethode heißt '''Spektrografie'''<ref>[https://www.duden.de/rechtschreibung/Spektrografie Duden: Spektrografie].</ref> und die Aufzeichnung (grafische Darstellung) selbst '''Spektrogramm''', wird im Fachjargon aber oft einfach als „das Spektrum“ bezeichnet. Zur visuellen Betrachtung optischer Spektren dienen [[Spektroskop]]e, wie erstmals bei [[Isaac Newton]], als er im 17. Jahrhundert die Zusammensetzung des weißen Lichts aus [[Spektralfarben]] entdeckte. Als Begründer der modernen Spektroskopie bzw. '''Spektralanalyse''' gelten der Chemiker [[Robert Wilhelm Bunsen]] und der Physiker [[Gustav Robert Kirchhoff]], die 1861 die beiden chemischen Elemente [[Cäsium]] und [[Rubidium]] in Mineralwässern mit Hilfe einer von ihnen 1859<ref>[[Paul Diepgen]], [[Heinz Goerke]]: ''[[Ludwig Aschoff|Aschoff]]/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin.'' 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 40.</ref> entwickelten Spektralanalyse entdeckten.

Die untersuchten Strahlungen umfassen den gesamten Bereich der [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Wellen]] und der mechanischen Wellen wie [[Schall]] und [[Wasserwelle]]n, sowie Teilchenstrahlen z. B. aus [[Elektron]]en, [[Ion]]en, [[Atom]]en oder [[Molekül]]en. Die Spektroskopie wird eingesetzt, um die Eigenschaften der Strahlung selbst zu studieren, die Eigenschaften der Strahlenquelle herauszufinden ('''Emissionsspektroskopie''') oder die Eigenschaften eines zwischen der Quelle und dem Spektrometer befindlichen Transportmediums zu untersuchen (Absorptionsspektroskopie). Insbesondere kann Spektrometrie genutzt werden, um Art und Konzentration von emittierenden oder absorbierenden Substanzen zu bestimmen.

Zeigt ein Spektrum scharfe und voneinander getrennte Intensitätsmaxima, wird es allgemein als [[Linienspektrum]] bezeichnet, andernfalls als kontinuierliches Spektrum. Oft sind Spektren aus diesen beiden Grundtypen gemischt. Der Name Linienspektrum erklärt sich daraus, dass die ersten optischen Spektralapparate das Licht aus einem beleuchteten schmalen Spalt empfingen, der abhängig von der Wellenlänge an einen bestimmten Ort auf dem Schirm abgebildet wurde, so dass sich für jedes Intensitätsmaximum eine helle Linie bildete (siehe Abbildung).

Beispielsweise ist das Energie- oder Wellenlängenspektrum der [[Wärmestrahlung]] vom kontinuierlichen Typ mit einem breiten Maximum, an dessen Lage man auch die Temperatur des strahlenden Körpers ablesen kann. Hingegen zeigt das von Atomen ausgesandte oder absorbierte Licht ein Linienspektrum, an dem man die chemischen [[Chemisches Element|Elemente]], zu denen die Atome gehören, eindeutig identifizieren kann ('''Spektralanalyse''' nach [[Gustav Robert Kirchhoff|Kirchhoff]] und [[Robert Wilhelm Bunsen|Bunsen]], 1859). Auch das Massenspektrum eines Stoffes bei Untersuchung mit einem [[Massenspektrometer]] ist ein Linienspektrum, das die Massen der im Stoff vorhandenen Moleküle oder gegebenenfalls ihrer Bruchstücke anzeigt. Die beiden Arten von Linienspektren zeigen hohe Empfindlichkeit und werden daher bei chemischen Analysen routinemäßig zum Nachweis von Beimengungen fremder Stoffe in geringster Konzentration eingesetzt.

Die Spektrografie wird in verschiedensten Formen beispielsweise in der [[Medizin]], in der [[Forensische Chemie|kriminalistischen Chemie]], der [[Forensische Toxikologie|forensischen Toxikologie]] und der [[Forensische Biologie|forensischen Biologie]] eingesetzt.<ref>[[Jürgen Thorwald]]: ''Die Stunde der Detektive. Werden und Welten der Kriminalistik.'' Droemer Knaur, Zürich und München 1966, S. 356–370.</ref> Spektroskopische Beobachtungen der Linienspektren der Atome und Moleküle gaben entscheidende Impulse für die Entwicklung der [[Atomphysik]] und [[Quantenmechanik]]. Die hohe Präzision, mit der viele ihrer [[Spektrallinie]]n gemessen werden können, erlaubt u. a. die genaue Überprüfung von [[Physikalisches Gesetz|Naturgesetzen]], die Bestimmung von [[Naturkonstante]]n und die Definition der [[Internationales Einheitensystem|Basiseinheiten]] [[Meter]] und [[Sekunde]].


== Spektroskopie elektromagnetischer Strahlung ==
=== Physikalische Grundlagen ===
[[Datei:Hg Niederdruck Spektrum.png|mini|Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe, aufgenommen mit einem 256-Pixel-[[Zeilensensor]] bzw. mit einer Kamera]]

Ein ''Spektrum'' im Sinne dieses Artikels ist die Verteilung einer [[Spektrale Leistungsdichte|spektralen Leistungsdichte]] über einer Energieskala ([[Frequenz]], [[Wellenzahl]]) oder einer reziproken Energieskala. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz <math>\nu</math> einer elektromagnetischen Welle und der Energie <math>E</math> der Lichtquanten ist dabei gegeben durch
:<math>E = h \cdot \nu</math>
mit der [[Planck-Konstante]]n <math>h</math>.

Grundlage zum Verständnis von Spektren ist der [[Übergang (Quantenmechanik)|Übergang]] eines Systems zwischen verschiedenen [[Energieniveau]]s unter Emission oder Absorption von [[Photonen]] oder anderen Teilchen. Mit diesem kann man [[Absorption (Physik)|Absorption]] und [[Spontane Emission|Emission]] von Photonen durch Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus eines Atoms beschreiben. Die absorbierte bzw. emittierte Energie <math>\Delta E</math> ist dabei durch das anfängliche Energieniveau <math>E_n</math> und dem End-Energieniveau <math>E_m</math> festgelegt. In der [[Quantenmechanik]] hat jeder [[Zustand (Quantenmechanik)|Zustand]] ein Energieniveau.

Dabei gilt:

:<math>\Delta E = E_n-E_m = h \cdot \nu</math>

Ist <math>E_n > E_m</math>, die Differenz also positiv, so handelt es sich in diesem Beispiel um Emission, bei negativen Vorzeichen, also <math>E_n < E_m</math> dann um Absorption.

Strukturen im Spektrum geben Hinweise darauf, welche Energiebeträge eine Substanz aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren) kann. Diese Beträge entsprechen Energiedifferenzen quantenmechanischer Zustände der Probe. Das Spektrum eines Stoffes hängt insbesondere ab von dessen Konzentrationen, von [[Auswahlregel]]n und [[Besetzungszahl]]en.

=== Klassische Spektroskopie ===
Die Untersuchung der Lichtemission bzw. -absorption von Molekülen und Atomen mit Hilfe von [[Gitterspektrometer|Gitter-]] und Prismenspektrometern sind die ältesten spektroskopischen Verfahren. Sie werden daher auch als klassische Spektroskopie bezeichnet. Viele der grundlegenden Untersuchungen über den Aufbau des Atoms wurden erst durch die Entwicklung und Anwendung hochauflösender Gitter- und Prismenspektrometer möglich.

=== Spektroskopiearten ===
Die Einteilung der zahlreichen spektroskopischen Methoden und Verfahren ist vielfältig und in der Literatur nicht immer einheitlich. Allgemein unterscheidet man zunächst zwischen Methoden der [[Atomspektroskopie|Atom-]] und der [[Molekülspektroskopie]].
Die Atomspektroskopie umfasst spektroskopische Verfahren, die auf Emissions-, Absorptions- oder Fluoreszenzvorgängen bei Atomen zurückgehen und zur Bestimmung von [[Chemisches Element|chemischen Elementen]] eingesetzt werden. Die beobachteten Spektren sind im Allgemeinen [[Linienspektrum|Linienspektren]]. Die molekülspektroskopischen Verfahren basieren hingegen auf der Anregung und Auswertung von Rotations-, Schwingungs- und Elektronenzuständen in Molekülen. Durch die Überlagerung von Einzelzuständen werden dabei keine Linienspektren, sondern sogenannte [[Bandenspektrum|Bandenspektren]] beobachtet.

Neben dieser grundlegenden Einteilung, nach der Art der untersuchten Zustände, gibt es zahlreiche andere Unterteilungen, beispielsweise nach der Anregungsenergie der elektrischen Strahlung (z. B. [[Mikrowellenspektroskopie]], [[Röntgenspektroskopie]]), des Aggregatzustandes (z. B. [[Festkörperspektroskopie]]) oder der Art der Anregung (z. B. [[Elektronenspektroskopie]], [[Laserspektroskopie]]).

{| class="wikitable"
|+ Spektroskopiearten nach typischen Bereichen der Wellenlänge und hauptsächlich untersuchten Eigenschaften
|----- class="hintergrundfarbe6"
! [[Elektromagnetisches Spektrum|EM-Strahlung]] || [[Wellenlänge]] || [[Frequenz]]bereich || [[Wellenzahl]] || [[Energie]]bereich || untersuchte Eigenschaft || Spektroskopische Methode
|-----
| [[Radiowelle]]n || 100 m…1 m || 3·106…300·106 Hz || 10−4…0,01 cm−1 || 10−6…10−4 kJ/mol || Änderung des Kernspinzustandes || [[Kernresonanzspektroskopie]] (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
|-----
| [[Mikrowellen]] || 1 m…1 cm || 300·106…30·109 Hz || 0,01…1 cm−1 || 10−4…0,01 kJ/mol || Änderung des Elektronenspinzustandes oder Hyperfeinzustandes|| [[Elektronenspinresonanz]] (ESR/EPR), [[Ramsey-Spektroskopie]] ([[Atomuhr]]en)
|-----
| [[Mikrowellen]] || 10 cm…1 mm || 30·108…3·1011 Hz || 0.1…10 cm−1 || 0,001…0,1 kJ/mol || Änderung des Rotationszustandes || [[Mikrowellenspektroskopie]]
|-----
| [[Terahertzstrahlung]] || 1 mm…100 µm || 0,3·1012…30·1012 Hz || 10…100 cm−1 || 0,1…1 kJ/mol || Änderung des Schwingungszustandes ||[[Terahertz-Spektroskopie]]
|-----
| [[Infrarotstrahlung]] || 1 mm…780 nm || 3·1011…3,8·1014 Hz || 10…1,28·104 cm−1|| 0,12…153 kJ/mol || Änderung des Schwingungszustandes || [[Schwingungsspektroskopie]]; ([[Infrarotspektroskopie]] (IR), [[Reflexionsspektroskopie]] und [[Ramanspektroskopie]], [[Ultrakurzzeit-Spektroskopie]])
|-----
| [[Licht|sichtbares Licht]]; [[Ultraviolette Strahlung|UV-Strahlung]] || 780 nm…10 nm || 3·1014…3·1016 Hz || 104…106 cm−1 || 100…104 kJ/mol || Änderung des Zustandes der äußeren Elektronen || [[UV/VIS-Spektroskopie]] (UV/Vis), [[Reflexionsspektroskopie]], [[Photoelektrischer Effekt#Innerer photoelektrischer Effekt|Fotoleitungsspektroskopie]], [[Fluoreszenzspektroskopie]]; [[Ultrakurzzeit-Spektroskopie]]; [[Atomspektroskopie]]; Vergleich mit [[Frequenzkamm]]
|-----
| [[Röntgenstrahlung]] || 10 nm…100 pm|| 3·1016…3·1018 Hz || 106…108 cm−1 || 104…106 kJ/mol || Änderung des Zustandes der Rumpfelektronen || [[Röntgenspektroskopie]] (XRS); [[Elektronenspektroskopie]]; [[Auger-Elektronen-Spektroskopie]] (AES);
|-----
| [[Gammastrahlung]] || 100 pm…1 pm || 3·1018…3·1020 Hz || 108…1010 cm−1 || 106…108 kJ/mol || Änderung des Kernzustandes (Anordnung der Nukleonen) || [[Gammaspektroskopie]]; [[Mößbauer-Spektroskopie]]
|-----
|}

== Liste mit Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik ==
# [[Atomspektroskopie]] – Messungen der Eigenschaften einzelner Atome, vor allem ihrer Elektronen-Energieniveaus
#* [[Atomabsorptionsspektroskopie]] (AAS/OAS)
#** [[Atomabsorptionsspektrometrie#Flammen-Atomabsorptionsspektroskopie|Flammentechnik]]
#** [[Atomabsorptionsspektrometrie#Graphitofen-Atomabsorptionsspektrometrie|Graphitrohrtechnik]]
#** [[Atomabsorptionsspektrometrie#Hydrid- und Kaltdampftechniken|Hydridtechnik]]
#* [[Atomemissionsspektrometrie]] (AES/OES)
#** [[Atomemissionsspektrometrie#Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES)|Induktiv gekoppeltes Plasma]] (ICP-OES)
#** [[Atomemissionsspektrometrie#Mikrowellen-Plasmafackel-Atomemissionsspektrometrie (MPT-AES)|Mikrowellen-Plasmafackel-AES]] (MPT-AES)
#* [[Atomspektroskopie#Atomfluoreszenzspektroskopie|Atomfluoreszenzspektroskopie]] (AFS)
#* [[Gammaspektroskopie]]
#* [[Gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation]] (PAC-Spektroskopie)
#* [[Mößbauer-Spektroskopie]] (beruhend auf dem [[Mößbauer-Effekt]])
#* [[Elektronenspektroskopie]]
#** [[Röntgenphotoelektronenspektroskopie|Photoelektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlen]] (XPS)
#** [[Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie|Photoelektronenspektroskopie mit UV-Licht]] (UPS)
#** [[Photoelektronenspektroskopie#Winkelaufgelöste Messungen (ARPES)|Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie]] (ARPES)
#** [[Auger-Elektronen-Spektroskopie]] (AES)
#** [[Elektronen-Energieverlustspektroskopie]] (EELS)
#* [[Röntgenspektroskopie]] (XRS)
#** [[Röntgenfluoreszenzanalyse]] (RFA)
#** [[Röntgenbeugung]] (XRD)
#** [[Röntgenabsorptionsspektroskopie]] (XAS)
#* [[Glimmentladungsspektroskopie]] (GDOES)
# [[Molekülspektroskopie]] – Messungen der Eigenschaften einzelner Moleküle, vor allem der Valenzelektronen-Energieniveaus und der [[Molekülschwingung]]en und -rotationen
#* [[Frequenzmodulationsspektroskopie]]
#* [[Fluoreszenzspektroskopie]]
#** [[Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie]]
#** [[Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie]]
#* [[Schwingungsspektroskopie]]
#** [[Infrarotspektroskopie]] (IR)
#** [[Ultraviolettspektroskopie]] (UV)
#** [[Ramanspektroskopie]]
#** [[Terahertz-Spektroskopie]]
#* [[Kernresonanzspektroskopie]] (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie)
#* [[CIDNP-Spektroskopie]] (auch NMR-CIDNP-Spektroskopie)
#* [[Elektronenspinresonanz]] (ESR/EPR)
#** [[Elektron-Kern-Doppelresonanz]] (ENDOR)
#* [[Mikrowellenspektroskopie]]
#* [[UV/VIS-Spektroskopie]] (UV/Vis)
# [[Festkörperspektroskopie]] – Messungen der Eigenschaften ganzer Festkörper (wie Kristalle), vor allem deren [[Bandstruktur]]details
#* [[Absorptionsspektrometrie|Absorptions-]] oder [[Transmissionsspektroskopie]]
#* [[Reflexionsspektroskopie]]
#* [[Fotoleitungsspektroskopie]], siehe [[Photoelektrischer Effekt#Innerer photoelektrischer Effekt]]
# [[Impedanzspektroskopie]] (Dielektrische Spektroskopie)
# [[Laserspektroskopie]]
#* [[Cavity-Ring-Down-Spektroskopie]] (CRDS, auch CRLAS)
#* [[Laserinduzierte Fluoreszenz]] (LIF)
#* [[Ultrakurzzeit-Spektroskopie]] – Messungen der Details von schnellen Vorgängen, vor allem chemischer Reaktionen

== Spektroskopie in der Astronomie ==
[[Datei:Heidelberg Haupstrasse 52 Haus zum Riesen Spektralanalyse.jpg|mini|Gedenktafel für Kirchhoff in Heidelberg]]

Die Absorptionslinien im [[Sonnenspektrum]] wurden nach [[Josef Fraunhofer]] benannt, der sie 1814 entdeckte. Doch erst 1859 konnten [[Gustav Robert Kirchhoff|Gustav Kirchhoff]] und [[Robert Bunsen]] die Natur dieser Linien als Fingerabdrücke von Elementen in der Sonnenatmosphäre erklären. In der folgenden Weiterentwicklung der Spektralanalyse gelang u. a. [[William Huggins]] (USA) und [[Angelo Secchi]] (Vatikansternwarte) die systematische Untersuchung von Sternspektren und die temperaturabhängige [[Spektralklasse|Klassifizierung]] der Sterne.

Die Spektralanalyse des Lichts der Sonne und anderer Sterne zeigte, dass die Himmelskörper aus denselben Elementen bestehen wie die Erde. Allerdings wurde [[Helium]] zuerst durch Spektroskopie des Sonnenlichtes identifiziert. Eine der solaren Spektrallinien konnte jahrzehntelang keiner bekannten Substanz zugeordnet werden, so dass bis zum Nachweis des irdischen Vorkommens angenommen wurde, auf der Sonne (griech. ''Helios'') existiere ein unbekanntes Element.

Weitere klassische Erfolge der astronomischen Spektralanalyse sind
* der Nachweis des [[Doppler-Effekt]]es an Sternen (siehe auch [[Radialgeschwindigkeit]])
* und (um 1920) an Galaxien (siehe [[Rotverschiebung]]),
* die exakte fotografische Analyse des Sterns [[Tau Scorpii]] durch [[Albrecht Unsöld]] 1939
* von Magnetfeldern auf Sonne und hellen Sternen ([[Zeeman-Effekt]])
* und vor allem die Feststellung von Stern-[[Temperatur]]en und der [[Spektralklasse]]n (siehe auch [[Hertzsprung-Russell-Diagramm]] und [[Sternentwicklung]]).

Die zugehörigen Messinstrumente („Spektralapparate“) der [[Astrospektroskopie]] sind:
* das [[Spektroskop]] und das [[Spektrometer]] (beides visuell)
* der [[Spektrograf]] (fotografisch bzw. mit Sensoren)
* der [[Monochromator]] und das [[Interferenz-Spektrometer]]
* der [[Frequenzkamm]]<ref>[https://scilogs.spektrum.de/galaxienentwicklung/frequenzkamm-einsatzbereit-f-r-astronomische-beobachtungen/ Frequenzkamm in astronomischen Beobachtungen].</ref>

== Literatur ==
=== Allgemeine Lehrbücher ===
* {{Literatur
|Autor=[[Ludwig Bergmann (Physiker)|Ludwig Bergmann]], [[Clemens Schaefer (Physiker)|Clemens Schaefer]]
|Titel=Lehrbuch der Experimentalphysik: Band 1 bis 8
|Verlag=De Gruyter
|Datum=}}
* {{Literatur
|Autor=Peter M. Skrabal
|Titel=Spektroskopie, Eine methodenübergreifende Darstellung vom UV- bis zum NMR-Bereich
|Verlag=vdf Hochschulverlag AG
|Ort=Zürich
|Datum=2009
|ISBN=978-3-8252-8355-1
|Online=https://vdf.ch/spektroskopie.html?search=skrabal}}
* [[Physikalische Chemie#Literatur]]

=== Spezielle Werke ===
''deutsch''
* {{Literatur
|Autor=[[Wolfgang Demtröder]]
|Titel=Molekülphysik: Theoretische Grundlagen und experimentelle Methoden
|Auflage=1.
|Verlag=Oldenbourg
|Datum=2003
|ISBN=3-486-24974-6}}
* {{Literatur
|Autor=Wolfgang Demtröder
|Titel=Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken
|Auflage=5.
|Verlag=Springer
|Ort=Berlin
|Datum=2007
|ISBN=978-3-540-33792-8}}
* [[Hermann Haken (Physiker)|Hermann Haken]], [[Hans Christoph Wolf]]: ''Atom- und Quantenphysik.'' 8. Auflage. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-02621-5.
* Hermann Haken, Hans Christoph Wolf: ''Molekülphysik und Quantenchemie.'' 5. Auflage. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-30314-6.
* R. Ramb: ''Emissionsspektroskopie.'' Walter de Gruyter % Co., Berlin (in der Reihe ''Arbeitsmethoden der modernen Naturwissenschaften'').

''englisch''
* Thomas Eversberg, Klaus Vollmann: ''Spectroscopic Instrumentation – Fundamentals and Guidelines for Astronomers.'' Springer, Heidelberg 2014, ISBN 3-662-44534-4
* [[Peter W. Atkins]], Ronald Friedman: ''Molecular Quantum Mechanics.'' 4. Auflage. Oxford University Press, Oxford 2004, ISBN 0-19-927498-3.
* Peter F. Bernath: ''Spectra of Atoms and Molecules.'' 2. Auflage. Oxford University Press, Oxford 2005, ISBN 0-19-517759-2.
* Wolfgang Demtröder: ''Atoms, Molecules and Photons.'' Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20631-0.
* Jack D. Graybeal: ''Molecular Spectroscopy.'' McGraw-Hill Education, New York NY u. a. 1988, ISBN 0-07-024391-3.
* J. Michael Hollas: ''Modern Spectroscopy.'' 4. Auflage. John Wiley & Sons, Chichester 2003, ISBN 0-470-84416-7.
* [[E. Bright Wilson Jr.]], J. C. Decius, Paul C. Cross: ''Molecular Vibrations – The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra.'' Dover Publications, New York NY 1980, ISBN 0-486-63941-X.
* Gordon G. Hammes: ''Spectroscopy for the biological sciences.'' Wiley-Interscience, Hoboken NJ 2005, ISBN 0-471-71344-9.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Spectroscopy|Spektroskopie}}
* [https://www.isas.de/ Grundlagenforschung im Bereich der Spektroskopie]
* [https://www.spektrum.de/news/sonderausstellung-der-geheimcode-der-sterne-noch-bis-zum-8-april-2018/1551528 Sonderausstellung Deutsches Museum: ''Der Geheimcode der Sterne'', bis 8.4.2018]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4056138-0|LCCN=sh85126423}}

[[Kategorie:Spektroskopie| ]]
[[Kategorie:Physikalisches Analyseverfahren]]
[[Kategorie:Astrophysik]]
[[Kategorie:Beobachtungsmethode der Astronomie]]
[[Kategorie:Gustav Robert Kirchhoff]]

Spektroskopie - Versionsgeschichte

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