Spektrum

Z Wikipédie, voľnej encyklopédie
Prejsť na navigáciu Prejsť na vyhľadávanie
Spectrum.svg

Spektrum ( lat. spektrum "video") vo fyzike je rozloženie hodnôt fyzikálnej veličiny (zvyčajne energie , frekvencie alebo hmotnosti ). Zvyčajne sa spektrum vzťahuje na elektromagnetické spektrum - rozdelenie intenzity elektromagnetického žiarenia podľa frekvencie alebo podľa vlnovej dĺžky.

Termín "spektrum" zaviedol do vedeckého používania Newton v rokoch 1671-1672 na označenie viacfarebného prúžku, podobného dúhe, ktorý sa získa, keď slnečný lúč prechádza cez trojuholníkový sklenený hranol . [1]

Historické pozadie

Historicky sa štúdium optických spektier začalo skôr ako všetky ostatné spektrá. Prvým bol Isaac Newton, ktorý vo svojej práci „Optika“, publikovanej v roku 1704 , publikoval výsledky svojich pokusov o rozklade pomocou hranola bieleho svetla na samostatné zložky rôznych farieb a lomov, to znamená, že získal spektrá slnečného žiarenia. žiarenia a vysvetlili ich povahu a ukázali, že farba je prirodzenou vlastnosťou svetla a nie je zavedená hranolom, ako tvrdil Roger Bacon v 13. storočí . V skutočnosti Newton položil základy optickej spektroskopie : v knihe „Optika“ opísal všetky tri spôsoby rozkladu svetla, ktoré sa dnes používajú – lom , interferenciu a difrakciu a jeho hranol s kolimátorom , štrbinou a šošovkou bol prvým spektroskopom.

Ďalšia fáza prišla o 100 rokov neskôr, keď William Wollaston v roku 1802 pozoroval tmavé čiary v slnečnom spektre, ale svojim pozorovaniam nepripisoval žiadnu dôležitosť. V roku 1814 tieto čiary nezávisle objavil a podrobne opísal Fraunhofer (teraz sa absorpčné čiary v slnečnom spektre nazývajú Fraunhoferove čiary ), ale nedokázal vysvetliť ich povahu. Fraunhofer opísal viac ako 500 čiar v slnečnom spektre a poznamenal, že poloha čiary D je blízko k polohe jasne žltej čiary v spektre plameňa.

V roku 1854 Kirchhoff a Bunsen začali študovať spektrá plameňov zafarbených parami kovových solí a výsledkom boli základy spektrálnej analýzy , prvej z inštrumentálnych spektrálnych metód - jednej z najsilnejších metód experimentálnej vedy.

V roku 1859 Kirchhoff publikoval krátky článok „On the Fraunhofer Lines“ v časopise Monthly Communications Berlínskej akadémie vied. V ňom napísal:

Kirchhoff - Bunsen Spectroscope, Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), zv. 110 (1860) .

V súvislosti so štúdiom spektier farebných plameňov, ktoré som vykonal spolu s Bunsenom, vďaka čomu bolo možné určiť kvalitatívne zloženie zložitých zmesí podľa vzhľadu ich spektier v plameni horáka, som urobil niekoľko pozorovaní čo vedie k neočakávanému záveru o pôvode Fraunhoferových línií a umožňuje z nich usúdiť o materiálnom zložení atmosféry Slnka a prípadne aj jasných stálic ...

... farebné plamene, v ktorých spektrách sú pozorované svetlé ostré čiary, tak oslabujú lúče toho istého svetla prechádzajúce cez ne, že sa namiesto svetelných čiar objavujú tmavé čiary, ak len za plameňom je zdroj svetla dostatočne vysoká intenzita, v spektre ktorej tieto čiary zvyčajne chýbajú. Ďalej som dospel k záveru, že tmavé čiary slnečného spektra, ktoré nevďačia za svoj vzhľad zemskej atmosfére, vznikajú v dôsledku prítomnosti takých látok v žeravej atmosfére slnka, ktoré v spektre plameňa na tom istom mieste dávajú svetelné čiary. Malo by sa predpokladať, že svetlé čiary, ktoré sa zhodujú s D v spektre plameňa, sú vždy spôsobené sodíkom v ňom, takže tmavé čiary D slnečného spektra nám umožňujú dospieť k záveru, že v atmosfére Slnka je sodík. Brewster našiel svetlé čiary v spektre ľadového plameňa namiesto Fraunhoferových čiar A, a, B; tieto čiary označujú prítomnosť draslíka v slnečnej atmosfére

Optické čiarové emisné spektrum dusíka

Je pozoruhodné, že toto Kirchhoffovo dielo nečakane nadobudlo filozofický význam: už skôr, v roku 1842 , zakladateľ pozitivizmu a sociológie Auguste Comte uviedol chemické zloženie Slnka a hviezd ako príklad nepoznateľného:

Vieme, ako určiť ich tvar, vzdialenosti k nim, ich hmotnosť a ich pohyby , ale nikdy nebudeme schopní zistiť nič o ich chemickom a mineralogickom zložení.

- Auguste Comte , Kurz pozitívnej filozofie, kniha II, kapitola I (1842)

Kirchhoffova práca umožnila vysvetliť povahu Fraunhoferových čiar v slnečnom spektre a určiť chemické (alebo presnejšie elementárne) zloženie jeho atmosféry.

Spektrálna analýza v skutočnosti otvorila novú éru vo vývoji vedy - štúdium spektier ako pozorovateľných súborov hodnôt stavovej funkcie objektu alebo systému sa ukázalo ako mimoriadne plodné a v konečnom dôsledku viedlo k vzniku tzv. kvantová mechanika : Planck prišiel na myšlienku kvanta v procese práce na teórii spektra absolútne čierneho telesa .

V roku 1910 boli získané prvé neelektromagnetické spektrá : J. J. Thomson získal prvé hmotnostné spektrá a potom v roku 1919 Aston zostrojil prvý hmotnostný spektrometer .

Od polovice 20. storočia, s rozvojom rádiotechniky, rádiospektroskopie, predovšetkým magnetickej rezonancie, sa vyvinuli metódy - nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia ( NMR spektroskopia , ktorá je v súčasnosti jednou z hlavných metód na stanovenie a potvrdenie priestorovej štruktúry organických látok). zlúčeniny), elektrónová paramagnetická rezonancia (EPR ), cyklotrónová rezonancia (CR), feromagnetická (FR) a antiferomagnetická rezonancia (AFR).

Ďalšou oblasťou spektrálneho výskumu spojeného s rozvojom rádiového inžinierstva bolo spracovanie a analýza pôvodne zvukových a potom ľubovoľných signálov.

Typy spektra

Dve reprezentácie optického spektra : zhora "prirodzené" (viditeľné v spektroskope ), zdola - ako závislosť intenzity od vlnovej dĺžky. Zobrazené je kombinované spektrum slnečného žiarenia. Absorpčné čiary vodíka série Balmeroznačené .

Podľa povahy distribúcie hodnôt fyzikálnej veličiny môžu byť spektrá diskrétne (čiarové), spojité (plné) a tiež predstavujú kombináciu (prekrytie) diskrétnych a spojitých spektier.

Príklady čiarových spektier sú hmotnostné spektrá a spektrá viazaných elektrónových prechodov atómu ; príklady spojitých spektier sú spektrum elektromagnetického žiarenia zahriatej pevnej látky a spektrum voľných voľných elektrónových prechodov atómu; príkladmi kombinovaných spektier sú emisné spektrá hviezd , kde chromosférické absorpčné čiary alebo väčšina zvukových spektier sú superponované na súvislé spektrum fotosféry .

Ďalším kritériom pre typizáciu spektier sú fyzikálne procesy, ktoré sú základom ich získavania. Takže podľa typu interakcie žiarenia s hmotou sa spektrá delia na emisné (spektrá žiarenia), absorpčné (absorpčné spektrá ) a rozptylové spektrá.

Ľubovoľné spektrá signálu: frekvenčné a časové znázornenie

Nukleárna rezonancia magnetické spektrum (1 H), získaný podľa Fourier NMR spektroskopiou. Pôvodné časové spektrum (intenzita-čas) je zobrazené červenou farbou a frekvenčné (intenzita-frekvenčné) spektrum získané Fourierovou transformáciou je znázornené modrou farbou.

V roku 1822 Fourier , ktorý študoval teóriu šírenia tepla v pevnej látke, publikoval svoju prácu „The Analytical Theory of Heat“, ktorá zohrala významnú úlohu v nasledujúcich dejinách matematiky. V tejto práci opísal metódu oddeľovania premenných ( Fourierova transformácia ), založenú na reprezentácii funkcií pomocou goniometrických radov ( Fourierove rady ). Fourier sa tiež pokúsil dokázať, že akúkoľvek ľubovoľnú funkciu možno rozložiť na trigonometrický rad, a hoci jeho pokus bol neúspešný, v skutočnosti sa stal základom moderného digitálneho spracovania signálu .

Optické spektrá, napríklad newtonské, sú kvantitatívne opísané funkciou závislosti intenzity žiarenia od jeho vlnovej dĺžky. alebo ekvivalentne na frekvencii , teda funkciu špecifikované vo frekvenčnej oblasti. Frekvenčný rozklad v tomto prípade vykonáva spektroskopický analyzátor - hranol alebo difrakčná mriežka .

V prípade akustiky alebo analógových elektrických signálov je situácia iná: výsledok merania je funkciou intenzity v závislosti od času , to znamená, že táto funkcia je špecifikovaná v časovej oblasti. Ale, ako viete, zvukový signál je superpozícia zvukových vibrácií rôznych frekvencií , to znamená, že takýto signál môže byť reprezentovaný vo forme opísaného „klasického“ spektra. ...

Je to Fourierova transformácia, ktorá jednoznačne určuje korešpondenciu medzi nimi a a je základom Fourierovej spektroskopie .

pozri tiež

Poznámky (upraviť)

  1. Isaac Newton. Návrh "Teórie týkajúcej sa svetla a farieb" . Koniec roku 1671 - začiatok roku 1672

Literatúra

  • Vavilov SI Princípy a hypotézy Newtonovej optiky. Súborné diela. - M .: Vydavateľstvo Akadémie vied ZSSR, 1956 .-- T. 3.
  • Tarasov K.I. Spektrálne prístroje . - L .: Strojárstvo, 1968.
  • Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Chemická analýza pozorovaním spektier / Engl. preklad z Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), zv. 110 (1860).

Odkazy