Spectru

Spectrul ( lat.  spectru „viziunea”) în fizică este o funcție scalară a frecvenței , lungimii de undă sau, mai rar, a unei alte mărimi fizice (de exemplu, energie , masa particulelor ), care determină „reprezentarea relativă” a valorilor ​​a acestei mărimi în obiectul studiat: un semnal complex, mediu multicomponent etc.. Până la normalizare, coincide cu densitatea sau seria de distribuție a mărimii corespunzătoare.

De obicei, spectrul este înțeles ca un spectru electromagnetic (sau acustic ) care specifică distribuția frecvențelor/lungimilor de undă ale radiațiilor electromagnetice (sau vibrațiilor elastice ). Forma spectrului arată cât de mult albastru, verde și alte culori (sau unde ultrasonice, sonore și alte unde) sunt prezente în semnal. Dimensiunea unui astfel de spectru este dimensiunea densității energiei volumetrice sau a densității puterii de suprafață, împărțită la dimensiunea argumentului: dacă aceasta este o frecvență, atunci aceasta va fi (J / m 3 ) / Hz sau (W / m) 2 ) / Hz, iar dacă lungimea de undă atunci (J / m 3 )/m sau (W/m2 ) /m. Adesea dat în unități relative adimensionale.

Uneori, spectrul este înțeles nu ca o distribuție în ansamblu, ci pur și simplu ca un set sau o gamă de frecvențe, lungimi de undă, energii și mase posibile într-un anumit sistem fără a specifica probabilitățile de realizare a acestora (de exemplu, se vorbește despre energie). spectrul unei particule într-un puț cuantic).

Termenul „spectru” a fost introdus în uz științific de către Isaac Newton în 1671-1672 pentru a desemna o bandă multicoloră, asemănătoare cu un curcubeu, rezultată din trecerea unei raze de soare printr-o prismă de sticlă triunghiulară [1] . În acei ani, a fost doar o fixare a faptului prezenței undelor electromagnetice de diferite lungimi în radiația solară, dar mai târziu s-au obținut și distribuții pe lungimi de undă .

Tipuri de spectru

Prin natura distribuției valorilor unei mărimi fizice, spectrele pot fi discrete (liniare), continue (continue) și reprezintă, de asemenea, o combinație (suprapunere) de spectre discrete și continue.

Exemple de spectre de linii sunt spectrele de masă și spectrele tranzițiilor electronice legate de un atom ; exemple de spectre continue sunt spectrul radiației electromagnetice a unui solid încălzit și spectrul tranzițiilor electronice libere ale unui atom; exemple de spectre combinate sunt spectrele de emisie ale stelelor , unde liniile de absorbție cromosferice sau majoritatea spectrelor de sunet sunt suprapuse pe spectrul continuu al fotosferei .

Un alt criteriu de tipizare a spectrelor sunt procesele fizice care stau la baza producerii lor. Deci, în funcție de tipul de interacțiune al radiației cu materia, spectrele sunt împărțite în spectre de emisie (spectre de radiații), spectre de absorbție ( spectre de absorbție ) și spectre de împrăștiere.

Spectre de semnale arbitrare

În 1822, Fourier , care a fost implicat în teoria propagării căldurii într-un solid, a publicat lucrarea „Teoria analitică a căldurii”, care a jucat un rol semnificativ în istoria ulterioară a matematicii. În această lucrare, el a descris o metodă de separare a variabilelor ( transformata Fourier ) bazată pe reprezentarea funcțiilor prin serii trigonometrice (seria Fourier ). De asemenea, Fourier a încercat să demonstreze că orice funcție arbitrară poate fi extinsă într-o serie trigonometrică și, deși încercarea sa a eșuat, aceasta a devenit, de fapt, baza procesării moderne a semnalului digital .

Spectrele optice, de exemplu, newtoniene, sunt descrise cantitativ printr-o funcție a dependenței intensității radiației de lungimea sa de undă sau, echivalent, de frecvență , adică funcția este setată pe domeniul frecvenței. Descompunerea în frecvență în acest caz este realizată de un analizor spectroscop - o prismă sau o rețea de difracție .

În cazul semnalelor acustice sau electrice analogice, situația este diferită: rezultatul măsurării este o funcție a dependenței intensității de timp , adică această funcție este setată în domeniul timpului (domeniul timpului). Dar, după cum știți, un semnal sonor este o suprapunere a vibrațiilor sonore de diferite frecvențe , adică un astfel de semnal poate fi reprezentat și ca un spectru „clasic”, descris de .

Transformarea Fourier este cea care determină în mod unic corespondența dintre reprezentările de timp și frecvență și stă la baza spectroscopiei Fourier .

Informații istorice

Din punct de vedere istoric, înaintea tuturor celorlalte spectre, a început studiul spectrelor optice. Primul a fost Isaac Newton, care în lucrarea sa „Optics”, publicată în 1704 , a publicat rezultatele experimentelor sale privind descompunerea luminii albe în componente separate de diferite culori și refracție folosind o prismă , adică a primit spectrele radiației solare. și a explicat natura lor, arătând că culoarea este o proprietate inerentă a luminii și nu este introdusă de o prismă, așa cum a susținut Roger Bacon în secolul al XIII-lea . De fapt, Newton a pus bazele spectroscopiei optice : în „Optics” el a descris toate cele trei metode de descompunere a luminii folosite încă astăzi - refracția , interferența și difracția , iar prisma sa cu un colimator , o fantă și o lentilă a fost primul spectroscop.

Următoarea etapă a venit 100 de ani mai târziu, când William Wollaston în 1802 a observat linii întunecate în spectrul solar, dar nu a acordat nicio importanță observațiilor sale. În 1814, aceste linii au fost descoperite și descrise în detaliu de către Fraunhofer (acum liniile de absorbție din spectrul solar sunt numite linii Fraunhofer ), dar nu au putut explica natura lor. Fraunhofer a descris peste 500 de linii în spectrul solar și a remarcat că poziția liniei D este aproape de poziția liniei galbene strălucitoare în spectrul flăcării.

În 1854, Kirchhoff și Bunsen au început să studieze spectrele unei flăcări colorate de vapori de sare metalică și, ca urmare, au pus bazele analizei spectrale , prima dintre metodele spectrale instrumentale, una dintre cele mai puternice metode ale științei experimentale. .

În 1859, Kirchhoff a publicat un scurt articol „On Fraunhofer Lines” în revista Monthly Communications a Academiei de Științe din Berlin.

fragment din opera lui Kirchhoff

În legătură cu studiul spectrelor flăcărilor colorate, pe care l-am efectuat în comun cu Bunsen, care a permis determinarea compoziției calitative a amestecurilor complexe din apariția spectrelor lor într-o flacără a flăcării, am făcut câteva observații care au condus la o concluzie neașteptată despre originea liniilor Fraunhofer și care face posibilă judecarea lor despre compoziția materială a atmosferei Soarelui și, eventual, de asemenea, stelele fixe strălucitoare ...

... flăcări colorate, în spectrele cărora se observă linii luminoase ascuțite, slăbesc razele aceleiași lumini care trec prin ele astfel încât în ​​locul liniilor luminoase apar linii întunecate, dacă numai în spatele flăcării se află o sursă de lumină suficient de intensitate mare, în spectrul căreia aceste linii sunt de obicei absente. În continuare, concluzionez că liniile întunecate ale spectrului solar, care nu-și datorează aspectul atmosferei terestre, provin din prezența în atmosfera incandescentă a Soarelui a unor astfel de substanțe, care în spectrul flăcării din același loc dau linii luminoase. Ar trebui să presupunem că liniile luminoase din spectrul flăcării care coincid cu D sunt întotdeauna cauzate de sodiul din acesta, astfel încât liniile D întunecate ale spectrului solar ne permit să concluzionam că există sodiu în atmosfera solară. Brewster a găsit linii luminoase în spectrul flăcării salitrului în locul liniilor Fraunhofer A, a, B; aceste linii indică prezența potasiului în atmosfera solară

Este de remarcat faptul că această lucrare a lui Kirchhoff a căpătat în mod neașteptat o semnificație filosofică: mai devreme, în 1842 , fondatorul pozitivismului și sociologiei , Auguste Comte , a citat tocmai compoziția chimică a Soarelui și a stelelor ca exemplu de incognoscibil :

Înțelegem cum să le determinăm forma, distanțele, masa și mișcările lor , dar nu putem ști niciodată nimic despre compoziția lor chimică și mineralogică.

— Auguste Comte , Un curs de filozofie pozitivă, cartea a II-a, capitolul I (1842)

Lucrările lui Kirchhoff au făcut posibilă explicarea naturii liniilor Fraunhofer în spectrul Soarelui și determinarea compoziției chimice (sau, mai precis, elementară) a atmosferei sale.

De fapt, analiza spectrală a deschis o nouă eră în dezvoltarea științei - studiul spectrelor ca seturi observabile de valori ale funcției de stare a unui obiect sau sistem s-a dovedit a fi extrem de fructuoasă și, în cele din urmă, a condus la apariția mecanica cuantică : Planck a venit la ideea unui cuantic în procesul de lucru la teoria spectrului corpului absolut negru .

În 1910 au fost luate primele spectre non-electromagnetice : J. J. Thomson a obținut primele spectre de masă , iar apoi în 1919 Aston a construit primul spectrometru de masă .

De la mijlocul secolului al XX-lea, odată cu dezvoltarea ingineriei radio, s-au dezvoltat metode radio spectroscopice, în primul rând de rezonanță magnetică - spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară ( spectroscopie RMN , care este acum una dintre principalele metode de stabilire și confirmare a structurii spațiale a compuși organici), rezonanță paramagnetică electronică (EPR), rezonanță ciclotronică (CR), rezonanță feromagnetică (FR) și rezonanță antiferomagnetică (APR).

O altă direcție de cercetare spectrală legată de dezvoltarea ingineriei radio a fost procesarea și analiza sunetului inițial, iar apoi orice semnale arbitrare.

Vezi și

Note

  1. ↑ Isaac Newton. Schiță de „A Theory Concerning Light and Colors” Arhivată 8 martie 2012 la Wayback Machine . Sfârșitul anului 1671 - începutul anului 1672

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice