Spektrum

Spektrum ( lat.  spektrum "vision") i fysik är en skalär funktion av frekvens , våglängd eller, mer sällan, en annan fysisk storhet (till exempel energi , partikelmassa ), som bestämmer den "relativa representationen" av värdena av denna kvantitet i objektet som studeras: en komplex signal, multikomponentmedium, etc.. Fram till normalisering sammanfaller den med densiteten eller distributionsserien för motsvarande kvantitet.

Vanligtvis förstås spektrumet som ett elektromagnetiskt (eller akustiskt ) spektrum som specificerar fördelningen av frekvenser/våglängder för elektromagnetisk strålning (eller elastiska vibrationer ). Spektrumets form visar hur mycket blått, grönt och andra färger (eller ultraljud, hörbara och andra vågor) som finns i signalen. Dimensionen för ett sådant spektrum är dimensionen av den volymetriska energitätheten eller yteffekttätheten, dividerat med dimensionen av argumentet: om detta är en frekvens, så kommer det att vara (J / m 3 ) / Hz eller (W / m) 2 ) / Hz, och om våglängden då (J / m 3 )/m eller (W/m2 ) /m. Anges ofta i relativa dimensionslösa enheter.

Ibland förstås spektrumet inte som en fördelning som en helhet, utan helt enkelt som en uppsättning eller ett område av frekvenser, våglängder, energier och massor som är möjliga i ett visst system utan att specificera sannolikheterna för deras förverkligande (till exempel talar man om energin spektrum av en partikel i en kvantbrunn).

Termen "spektrum" introducerades i vetenskapligt bruk av Isaac Newton 1671-1672 för att beteckna ett flerfärgat band, liknande en regnbåge, som är resultatet av passagen av en solstråle genom ett triangulärt glasprisma [ 1] . Under dessa år var det bara en fixering av det faktum att förekomsten av elektromagnetiska vågor av olika längd i solstrålning, men senare fördelningar över våglängder erhölls också .

Spektrumtyper

Genom arten av fördelningen av värdena för en fysisk kvantitet kan spektra vara diskreta (linjära), kontinuerliga (kontinuerliga) och också representera en kombination (superposition) av diskreta och kontinuerliga spektra.

Exempel på linjespektra är masspektra och spektra av bundna elektroniska övergångar av en atom ; exempel på kontinuerliga spektra är spektrumet av elektromagnetisk strålning från ett uppvärmt fast ämne och spektrumet av fria fria elektroniska övergångar för en atom; exempel på kombinerade spektra är emissionsspektra från stjärnor , där kromosfäriska absorptionslinjer eller de flesta av ljudspektra överlagras på fotosfärens kontinuerliga spektrum.

Ett annat kriterium för att typifiera spektra är de fysiska processer som ligger till grund för deras produktion. Så, beroende på typen av interaktion mellan strålning och materia, delas spektra in i emission (strålningsspektra), absorption (absorptionsspektra ) och spridningsspektra.

Spektra av godtyckliga signaler

År 1822 publicerade Fourier , som var engagerad i teorin om utbredning av värme i ett fast ämne, verket "Analytical Theory of Heat", som spelade en betydande roll i matematikens efterföljande historia. I detta arbete beskrev han en metod för separation av variabler ( Fouriertransform ) baserad på representation av funktioner av trigonometriska serier ( Fourierserier ). Fourier gjorde också ett försök att bevisa att vilken godtycklig funktion som helst kunde utökas till en trigonometrisk serie, och även om hans försök misslyckades, blev det faktiskt grunden för modern digital signalbehandling .

Optiska spektra, till exempel Newtonska, beskrivs kvantitativt av en funktion av strålningsintensitetens beroende av dess våglängd eller, ekvivalent, av frekvens , det vill säga funktionen är inställd på frekvensdomänen. Frekvensnedbrytning i detta fall utförs av en spektroskopanalysator - ett prisma eller ett diffraktionsgitter .

När det gäller akustik eller analoga elektriska signaler är situationen annorlunda: resultatet av mätningen är en funktion av intensitetens beroende av tiden , det vill säga denna funktion är inställd på tidsdomänen (tidsdomänen). Men som ni vet är en ljudsignal en överlagring av ljudvibrationer av olika frekvenser , det vill säga en sådan signal kan också representeras som ett "klassiskt" spektrum, beskrivet av .

Det är Fouriertransformen som unikt bestämmer överensstämmelsen mellan tids- och frekvensrepresentationer och ligger bakom Fourierspektroskopi .

Historisk information

Historiskt sett, före alla andra spektra, påbörjades studiet av optiska spektra. Den första var Isaac Newton, som i sitt arbete "Optics", publicerad 1704 , publicerade resultaten av sina experiment med att sönderdela vitt ljus i separata komponenter av olika färg och brytning med hjälp av ett prisma , det vill säga han fick solstrålningsspektra , och förklarade deras natur, vilket visar att färg är en inneboende egenskap hos ljus , och inte introduceras av ett prisma, som Roger Bacon hävdade på 1200-talet . Faktum är att Newton lade grunden till optisk spektroskopi : i "Optik" beskrev han alla tre metoderna för ljusnedbrytning som fortfarande används idag - brytning , interferens och diffraktion , och hans prisma med en kollimator , en slits och en lins var det första spektroskopet.

Nästa steg kom 100 år senare, när William Wollaston 1802 observerade mörka linjer i solspektrumet, men lade ingen vikt vid sina observationer. År 1814 upptäcktes dessa linjer oberoende av varandra och beskrevs i detalj av Fraunhofer (nu kallas absorptionslinjerna i solspektrumet Fraunhofer-linjer ), men de kunde inte förklara deras natur. Fraunhofer beskrev över 500 linjer i solspektrumet och noterade att positionen för D-linjen är nära positionen för den ljusgula linjen i flamspektrumet.

År 1854 började Kirchhoff och Bunsen studera spektra av en låga färgad av metallsaltångor, och som ett resultat lade de grunden för spektralanalys , den första av de instrumentella spektralmetoderna, en av de mest kraftfulla metoderna inom experimentell vetenskap. .

År 1859 publicerade Kirchhoff en kort artikel "On Fraunhofer Lines" i tidskriften Monthly Communications of the Berlin Academy of Sciences.

utdrag ur Kirchhoffs verk

I samband med studiet av spektra av färgade lågor, som jag genomförde tillsammans med Bunsen, vilket gjorde det möjligt att bestämma den kvalitativa sammansättningen av komplexa blandningar utifrån utseendet på deras spektra i en blåslampslåga, gjorde jag några observationer som ledde till en oväntad slutsats om ursprunget till Fraunhofer-linjerna och gör det möjligt att bedöma från dem om den materiella sammansättningen av solens atmosfär och, möjligen, även ljusa fixstjärnor ...

... färgade lågor, i vars spektra ljus skarpa linjer observeras, försvagar strålarna från samma ljus som passerar genom dem så att mörka linjer uppträder i stället för ljusa linjer, om bara bakom lågan finns en ljuskälla med tillräckligt hög intensitet, inom vars spektrum dessa linjer vanligtvis saknas. Jag drar vidare slutsatsen att solspektrumets mörka linjer, som inte beror på jordens atmosfär, uppstår genom närvaron i solens glödande atmosfär av sådana ämnen, som i lågans spektrum på samma plats ger ljusa linjer. Det bör antas att de ljusa linjerna i flamspektrumet som sammanfaller med D alltid orsakas av natriumet i det, så de mörka D-linjerna i solspektrumet låter oss dra slutsatsen att det finns natrium i solatmosfären. Brewster hittade ljusa linjer i salpeterlågans spektrum i stället för Fraunhofer-linjerna A, a, B; dessa linjer indikerar närvaron av kalium i solens atmosfär

Det är anmärkningsvärt att detta verk av Kirchhoff oväntat fick filosofisk betydelse: tidigare, 1842 , citerade grundaren av positivismen och sociologin , Auguste Comte , just den kemiska sammansättningen av solen och stjärnorna som ett exempel på det okända :

Vi förstår hur man bestämmer deras form, deras avstånd, deras massa och deras rörelser , men vi kan aldrig veta något om deras kemiska och mineralogiska sammansättning.

— Auguste Comte , En kurs i positiv filosofi, bok II, kapitel I (1842)

Kirchhoffs arbete gjorde det möjligt att förklara arten av Fraunhofer-linjerna i solens spektrum och att bestämma den kemiska (eller, mer exakt, elementära) sammansättningen av dess atmosfär.

Faktum är att spektralanalys öppnade en ny era i vetenskapens utveckling - studiet av spektra som observerbara uppsättningar värden för tillståndsfunktionen hos ett objekt eller system visade sig vara extremt fruktbart och ledde slutligen till uppkomsten av kvantmekanik : Planck kom till idén om ett kvant i färd med att arbeta med teorin om spektrumet av en absolut svart kropp .

1910 togs de första icke-elektromagnetiska spektra : J. J. Thomson erhöll de första masspektra , och 1919 byggde Aston den första masspektrometern .

Sedan mitten av 1900-talet, med utvecklingen av radioteknik, har radiospektroskopiska, i första hand magnetiska resonansmetoder utvecklats - kärnmagnetisk resonansspektroskopi ( NMR-spektroskopi , som nu är en av huvudmetoderna för att fastställa och bekräfta den rumsliga strukturen av organiska föreningar), elektronparamagnetisk resonans (EPR ), cyklotronresonans (CR), ferromagnetisk (FR) och antiferromagnetisk resonans (APR).

En annan riktning för spektralforskning relaterad till utvecklingen av radioteknik var bearbetning och analys av initialt ljud och sedan eventuella godtyckliga signaler.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Isaac Newton. Utkast till "A Theory Concerning Light and Colors" Arkiverad 8 mars 2012 på Wayback Machine . Sent 1671 - början av 1672

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger