Spekter

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Spectrum.svg

Spekter ( latinski spectrum "video") v fiziki je porazdelitev vrednosti fizične količine (običajno energije , frekvence ali mase ). Običajno se spekter nanaša na elektromagnetni spekter – porazdelitev jakosti elektromagnetnega sevanja po frekvenci ali valovni dolžini.

Izraz "spekter" je v znanstveno uporabo uvedel Newton v letih 1671-1672 za označevanje večbarvnega traku, podobnega mavrici, ki nastane, ko sončni žarek preide skozi trikotno stekleno prizmo . [1]

Zgodovinsko ozadje

Zgodovinsko gledano se je študij optičnih spektrov začel pred vsemi drugimi spektri. Prvi je bil Isaac Newton, ki je v svojem delu Optika, objavljenem leta 1704 , objavil rezultate svojih poskusov razgradnje z uporabo prizme bele svetlobe na ločene komponente različnih barv in lomov, torej je prejel spektre sončne svetlobe. sevanja, in razložil njihovo naravo, pri čemer je pokazal, da je barva notranja lastnost svetlobe in je ne uvaja prizma, kot je trdil Roger Bacon v 13. stoletju . Pravzaprav je Newton postavil temelje optične spektroskopije : v "Optiki" je opisal vse tri metode razgradnje svetlobe, ki se danes uporabljajo - lom , interferenco in difrakcijo , njegova prizma s kolimatorjem , režo in lečo pa je bila prvi spektroskop.

Naslednja stopnja je prišla 100 let pozneje, ko je William Wollaston leta 1802 opazoval temne črte v sončnem spektru, vendar svojim opazovanjem ni pripisal nobenega pomena. Leta 1814 je te linije neodvisno odkril in podrobno opisal Fraunhofer (zdaj se absorpcijske črte v sončnem spektru imenujejo Fraunhoferjeve linije ), vendar njihove narave ni mogel razložiti. Fraunhofer je opisal več kot 500 črt v sončnem spektru in ugotovil, da je položaj črte D blizu položaju svetlo rumene črte v spektru plamena.

Leta 1854 sta Kirchhoff in Bunsen začela preučevati spektre plamenov, obarvanih s hlapi kovinskih soli, in s tem postavila temelje za spektralno analizo , prvo od instrumentalnih spektralnih metod - eno najmočnejših metod eksperimentalne znanosti.

Leta 1859 je Kirchhoff objavil kratek članek "O Fraunhoferjevih linijah" v reviji Monthly Communications berlinske akademije znanosti. V njem je zapisal:

Kirchhoff - Bunsenov spektroskop, Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), letn. 110 (1860) .

V zvezi s študijo spektrov barvnih plamenov, ki sem jo izvedel skupaj z Bunsenom, zahvaljujoč kateri je bilo mogoče določiti kvalitativno sestavo kompleksnih zmesi po videzu njihovih spektrov v plamenu gorilnika, sem naredil nekaj opažanj kar vodi do nepričakovanega zaključka o nastanku Fraunhoferjevih linij in iz njih omogoča soditi o materialni sestavi ozračja Sonca in morda tudi svetlih nepremičnih zvezd ...

... obarvani plameni, v katerih spektrih opazimo svetle ostre črte, tako oslabijo žarke iste svetlobe, ki prehajajo skozi njih, da se namesto svetlih črt pojavijo temne črte, če je le za plamenom dovolj svetlobnega vira visoka intenzivnost, v spektru katere te črte običajno ni. Nadalje sklepam, da temne črte sončnega spektra, ki svojega videza ne dolgujejo zemeljski atmosferi, nastanejo zaradi prisotnosti v žareči atmosferi sonca takšnih snovi, ki v spektru plamena na istem mestu dajejo svetlobne črte. Domnevati je treba, da svetlobne črte, ki sovpadajo z D v spektru plamena, vedno povzroča natrij v njem, zato nam temne črte D sončnega spektra omogočajo sklepanje, da je v ozračju Sonca natrij. Brewster je našel svetlobne črte v spektru plamena salitre namesto Fraunhoferjevih črt A, a, B; te črte kažejo na prisotnost kalija v sončni atmosferi

Optični linijski emisijski spekter dušika

Omeniti velja, da je to Kirchhoffovo delo nepričakovano pridobilo filozofski pomen: prej, leta 1842 , je ustanovitelj pozitivizma in sociologije Auguste Comte kot primer neznanega navedel kemično sestavo Sonca in zvezd :

Razumemo, kako določiti njihovo obliko, razdalje do njih, njihovo maso in njihovo gibanje , vendar nikoli ne bomo mogli izvedeti ničesar o njihovi kemični in mineraloški sestavi.

- Auguste Comte , Tečaj pozitivne filozofije, knjiga II, poglavje I (1842)

Kirchhoffovo delo je omogočilo razlago narave Fraunhoferjevih linij v sončnem spektru in določitev kemične (ali natančneje elementarne) sestave njegove atmosfere.

Pravzaprav je spektralna analiza odprla novo obdobje v razvoju znanosti - preučevanje spektrov kot opaznih nizov vrednosti funkcije stanja predmeta ali sistema se je izkazalo za izjemno plodno in je na koncu pripeljalo do nastanka kvantna mehanika : Planck je prišel do ideje o kvantu v procesu dela na teoriji spektra popolnoma črnega telesa .

Leta 1910 so bili pridobljeni prvi neelektromagnetni spektri : J.J. Thomson je pridobil prve masne spektre , nato pa je Aston leta 1919 zgradil prvi masni spektrometer .

Od sredine 20. stoletja, z razvojem radiotehnike, so se razvile radiospektroskopske, predvsem magnetne resonančne metode - spektroskopija jedrske magnetne resonance ( NMR spektroskopija , ki je danes ena glavnih metod za ugotavljanje in potrjevanje prostorske strukture organskih snovi). spojine), elektronska paramagnetna resonanca (EPR), ciklotronska resonanca (CR), feromagnetna (FR) in antiferomagnetna resonanca (AFR).

Drugo področje spektralnih raziskav, povezanih z razvojem radijskega inženiringa, je bila obdelava in analiza sprva zvočnih, nato pa poljubnih signalov.

Vrste spektra

Dve predstavitvi optičnega spektra : od zgoraj "naravno" (vidno v spektroskopu ), od spodaj - kot odvisnost intenzivnosti od valovne dolžine. Prikazan je kombinirani spekter sončnega sevanja. Označene so absorpcijske linije Balmerjeve serije vodika.

Po naravi porazdelitve vrednosti fizične količine so spektri lahko diskretni (črta), neprekinjeni (trdni) in predstavljajo tudi kombinacijo (prekrivanje) diskretnih in neprekinjenih spektrov.

Primeri linijskih spektrov so masni spektri in spektri vezanih elektronskih prehodov atoma ; primera neprekinjenih spektrov sta spekter elektromagnetnega sevanja segrete trdne snovi in ​​spekter prostih prostih elektronskih prehodov atoma; primeri kombiniranih spektrov so emisijski spektri zvezd , kjer se kromosferske absorpcijske linije ali večina zvočnih spektrov prekrivajo na neprekinjen spekter fotosfere .

Drugo merilo za tipizacijo spektrov so fizikalni procesi, na katerih temelji njihovo pridobivanje. Torej, glede na vrsto interakcije sevanja s snovjo, so spektri razdeljeni na emisijske (spektre sevanja), absorpcijske (absorpcijski spektri ) in spektre sipanja.

Poljubni signalni spektri: frekvenčna in časovna predstavitev

Spekter jedrske magnetne resonance ( 1 H), pridobljen s Fourierjevo NMR spektroskopijo. Prvotni časovni spekter (intenzivnost-čas) je prikazan v rdeči barvi, frekvenčni (intenzivno-frekvenčni) spekter, pridobljen s Fourierjevo transformacijo, pa je prikazan v modri barvi.

Leta 1822 je Fourier , ki je preučeval teorijo širjenja toplote v trdni snovi, objavil svoje delo "Analitična teorija toplote", ki je igrala pomembno vlogo v kasnejši zgodovini matematike. V tem delu je opisal metodo za ločevanje spremenljivk ( Fourierjeva transformacija ), ki temelji na predstavitvi funkcij s trigonometričnimi vrstami ( Fourierjeva vrsta ). Fourier je tudi poskušal dokazati, da je vsako poljubno funkcijo mogoče razstaviti v trigonometrično serijo, in čeprav je bil njegov poskus neuspešen, je pravzaprav postal osnova sodobne digitalne obdelave signalov .

Optični spektri, na primer Newtonov, so kvantitativno opisani s funkcijo odvisnosti intenzivnosti sevanja od njegove valovne dolžine ali enakovredno na frekvenci , torej funkcija določeno v frekvenčnem področju. Frekvenčno razgradnjo v tem primeru izvaja spektroskopski analizator - prizma ali difrakcijska rešetka .

V primeru akustike ali analognih električnih signalov je situacija drugačna: rezultat meritve je funkcija jakosti v odvisnosti od časa , to pomeni, da je ta funkcija določena v časovni domeni. Toda, kot veste, je zvočni signal superpozicija zvočnih vibracij različnih frekvenc , to pomeni, da je tak signal lahko predstavljen v obliki "klasičnega" opisanega spektra. ...

Fourierjeva transformacija je tista, ki enolično določa korespondenco med in in je osnova Fourierjeve spektroskopije .

Poglej tudi

Opombe (uredi)

  1. Isaac Newton. Osnutek "Teorije o svetlobi in barvah" . Konec 1671 - začetek 1672

Literatura

  • Vavilov SI Načela in hipoteze Newtonove optike. Zbrana dela. - M .: Založba Akademije znanosti ZSSR, 1956 .-- T. 3.
  • Tarasov K.I. Spektralni instrumenti . - L .: Strojništvo, 1968.
  • Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Kemijska analiza z opazovanjem spektrov / Engl. prevod iz Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), letn. 110 (1860).

Povezave