Спецтрум

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Спецтрум.свг

Спектар ( латински спецтрум "видео") у физици је расподела вредности физичке величине (обично енергије , фреквенције или масе ). Обично се спектар односи на електромагнетни спектар - расподела интензитета електромагнетног зрачења по фреквенцији или таласној дужини.

Термин "спектар" је у научну употребу увео Њутн 1671-1672 да означи разнобојну траку, сличну дуги, која се добија када сунчев зрак прође кроз троугласту стаклену призму . [1]

Историјска позадина

Историјски гледано, проучавање оптичких спектра је почело пре свих других спектра. Први је био Исак Њутн, који је у свом делу "Оптика", објављеном 1704. године , објавио резултате својих експеримената о разлагању помоћу призме беле светлости на одвојене компоненте различитих боја и преламања, односно добио је спектре сунчеве светлости. зрачења, и објаснио њихову природу, показујући да је боја суштинско својство светлости и да није уведена призмом, као што је Роџер Бекон тврдио у 13. веку . У ствари, Њутн је поставио темеље оптичке спектроскопије : у „Оптици” је описао све три методе разградње светлости које се данас користе – преламање , интерференцију идифракцију , а његова призма са колиматором , прорезом и сочивом била је први спектроскоп.

Следећа фаза је наступила 100 година касније, када је Вилијам Воластон 1802. приметио тамне линије у сунчевом спектру, али није придао никакав значај својим запажањима. Године 1814, ове линије је независно открио и детаљно описао Фраунхофер (сада се апсорпционе линије у соларном спектру називају Фраунхоферовим линијама ), али нису могле да објасне њихову природу. Фраунхофер је описао преко 500 линија у сунчевом спектру и приметио да је положај Д линије близак положају светло жуте линије у спектру пламена.

Године 1854. Кирхоф и Бунзен су започели проучавање спектра пламена обојених парама металних соли, и као резултат тога, поставили су темеље за спектралну анализу , прву од инструменталних спектралних метода - једну од најмоћнијих метода експерименталне науке.

Године 1859. Кирхоф је објавио кратак чланак „На Фраунхоферовим линијама“ у часопису Монтхли Цоммуницатионс Берлинске академије наука. У њему је написао:

Кирцххофф, - Бунзена Спектроскоп, Аннален дер Пхисик унд дер Цхемие (Поггендорфф), Вол. 110 (1860) .

У вези са проучавањем спектра обојеног пламена које сам спровео заједно са Бунсеном, захваљујући којем је постало могуће одредити квалитативни састав сложених смеша појавом њихових спектра у пламену лампе, направио сам нека запажања што доводи до неочекиваног закључка о пореклу Фраунхоферових линија и омогућава да се из њих суди о материјалном саставу атмосфере Сунца и, могуће, и сјајних фиксних звезда...

... обојени пламенови, у чијим спектрима се уочавају светле оштре линије, толико слабе зраке исте светлости пролазећи кроз њих да се тамне линије појављују на месту светлих линија, само ако се иза пламена налази извор светлости довољно високог интензитета, у чијем спектру ове линије обично нема. Даље закључујем да тамне линије сунчевог спектра, које свој изглед не дугују земљиној атмосфери, настају услед присуства у усијаној атмосфери Сунца таквих супстанци које у спектру пламена на истом месту дају светле линије. Треба претпоставити да су светле линије које се поклапају са Д у спектру пламена увек узроковане натријумом у њему, па нам тамне Д линије сунчевог спектра омогућавају да закључимо да у атмосфери Сунца постоји натријум. Брустер је пронашао светлосне линије у спектру пламена шалитре уместо Фраунхоферових линија А, а, Б; ове линије указују на присуство калијума у ​​сунчевој атмосфери

Оптички линијски емисиони спектар азота

Важно је напоменути да је ово Кирхофово дело неочекивано добило филозофски значај: раније, 1842. године , оснивач позитивизма и социологије Огист Конт навео је хемијски састав Сунца и звезда као пример неспознатљивог:

Знамо како да одредимо њихов облик, удаљености до њих, њихову масу и њихово кретање , али никада нећемо моћи да сазнамо ништа о њиховом хемијском и минералошком саставу.

- Огист Конт , Курс позитивне филозофије, књига ИИ, поглавље И (1842)

Кирхофов рад је омогућио да се објасни природа Фраунхоферових линија у сунчевом спектру и да се одреди хемијски (или, тачније, елементарни) састав његове атмосфере.

Заправо, спектрална анализа је отворила нову еру у развоју науке - проучавање спектра као видљивих скупова вредности функције стања објекта или система показало се изузетно плодним и, на крају, довело до појаве квантна механика : Планк је дошао на идеју кванта у процесу рада на теорији спектра апсолутно црног тела .

Године 1910. добијени су први неелектромагнетни спектри : Ј. Ј. Тхомсон је добио прве масене спектре , а затим је 1919. Астон направио први масени спектрометар .

Од средине 20. века, развојем радиотехнике, развијају се радиоспектроскопске, пре свега магнетне резонанције – спектроскопија нуклеарне магнетне резонанце ( НМР спектроскопија , која је данас једна од главних метода за утврђивање и потврђивање просторне структуре органских материја). једињења), електронска парамагнетна резонанца (ЕПР), циклотронска резонанца (ЦР), феромагнетна (ФР) и антиферомагнетна резонанца (АФР).

Још једна област спектралног истраживања повезана са развојем радио-инжењеринга била је обрада и анализа првобитно звучних, а затим било каквих произвољних сигнала.

Типови спектра

Два приказа оптичког спектра : одозго "природно" (видљиво у спектроскопу ), одоздо - као зависност интензитета од таласне дужине. Приказан је комбиновани спектар сунчевог зрачења. Означене су апсорпционе линије Балмерове серије водоника.

По природи расподеле вредности физичке величине, спектри могу бити дискретни (линијски), континуирани (чврсти), а такође представљају комбинацију (преклапање) дискретних и континуираних спектра.

Примери линијских спектра су масени спектри и спектри везаних електронских прелаза атома ; примери континуираних спектра су спектар електромагнетног зрачења загрејане чврсте супстанце и спектар слободних електронских прелаза атома; примери комбинованих спектра су емисиони спектри звезда , где су хромосферске апсорпционе линије или већина звучних спектра суперпонирани на континуирани спектар фотосфере .

Други критеријум за куцање спектра су физички процеси који су у основи њиховог стицања. Дакле, према врсти интеракцијезрачења са материјом, спектри се деле на емисионе (спектре зрачења), апсорпционе (апсорпционе спектре ) и спектре расејања.

Произвољни спектри сигнала: фреквенцијска и временска репрезентација

Спектар нуклеарне магнетне резонанце ( 1 Х) добијен Фоуриер НМР спектроскопијом. Оригинални временски спектар (интензитет-време) је приказан црвеном бојом, а фреквенцијски (интензитет-фреквенција) спектар добијен Фуријеовом трансформацијом је приказан плавом бојом.

Године 1822, Фурије , који је проучавао теорију простирања топлоте у чврстом стању, објавио је свој рад "Аналитичка теорија топлоте", који је одиграо значајну улогу у каснијој историји математике. У овом раду описао је метод за раздвајање променљивих ( Фуријеова трансформација ), заснован на представљању функција тригонометријским редовима ( Фуријеов ред ). Фурије је такође покушао да докаже да се свака произвољна функција може декомпоновати у тригонометријски низ, и, иако је његов покушај био неуспешан, он је, заправо, постао основа савремене дигиталне обраде сигнала .

Оптички спектри, на пример, Њутновски, квантитативно су описани функцијом зависности интензитета зрачења од његове таласне дужине или, еквивалентно, на фреквенцији , односно функција наведено у фреквенцијском домену. Фреквентну декомпозицију у овом случају врши спектроскопски анализатор – призма или дифракциона решетка .

У случају акустике или аналогних електричних сигнала, ситуација је другачија: резултат мерења је функција интензитета у односу на време , односно ова функција је наведена у временском домену. Али, као што знате, звучни сигнал је суперпозиција звучних вибрација различитих фреквенција , то јест, такав сигнал се може представити у облику "класичног" описаног спектра ...

Фуријеова трансформација је та која јединствено одређује кореспонденцију између и и лежи у основи Фуријеове спектроскопије .

такође видети

Белешке (измени)

  1. Исак Њутн. Нацрт "Теорије о светлости и бојама" . Крајем 1671 - почетком 1672

Књижевност

  • Вавилов СИ Принципи и хипотезе Њутнове оптике. Цоллецтед Воркс. - М .: Издавачка кућа Академије наука СССР, 1956.-- Т. 3.
  • Тарасов К.И. Спектрални инструменти . - Л .: Машинство, 1968.
  • Густав Кирхоф, Роберт Бунзен. Хемијска анализа посматрањем спектра / енгл. превод са Аннален дер Пхисик унд дер Цхемие (Поггендорфф), Вол. 110 (1860).

Линкови