Spectrum

A spektrum ( lat.  spektrum "látás") a fizikában a frekvencia , a hullámhossz vagy ritkábban más fizikai mennyiség (például energia , részecsketömeg ) skaláris függvénye , amely meghatározza az értékek "relatív reprezentációját" ebből a mennyiségből a vizsgált objektumban: komplex jel, többkomponensű közeg stb. A normalizálásig egybeesik a megfelelő mennyiség sűrűségével vagy eloszlási sorozatával .

Általában a spektrum egy elektromágneses (vagy akusztikus ) spektrum, amely meghatározza az elektromágneses sugárzás (vagy rugalmas rezgések ) frekvenciáinak/hullámhosszainak eloszlását. A spektrum alakja megmutatja, hogy mennyi kék, zöld és egyéb szín (vagy ultrahangos, hallható és egyéb hullámok) van jelen a jelben. Egy ilyen spektrum dimenziója a térfogati energiasűrűség vagy felületi teljesítménysűrűség dimenziója, osztva az argumentum dimenziójával: ha ez egy frekvencia, akkor az (J / m 3 ) / Hz vagy (W / m) lesz. 2 ) / Hz, és ha a hullámhossz akkor (J / m 3 )/m vagy (W/m2 ) /m. Gyakran relatív dimenzió nélküli egységekben adják meg.

Néha a spektrumot nem eloszlásként, mint egészként értjük, hanem egyszerűen egy adott rendszerben lehetséges frekvenciák, hullámhosszak, energiák és tömegek halmazaként vagy tartományaként anélkül, hogy meghatároznánk a megvalósulásuk valószínűségét (például az energiáról beszélünk). részecske spektruma kvantumkútban).

A "spektrum" kifejezést Isaac Newton 1671-1672-ben vezette be a tudományos használatba, hogy egy többszínű, szivárványhoz hasonló sávot jelöljön, amely a napsugárnak egy háromszög alakú üvegprizmán való áthaladásából ered [ 1] . Azokban az években ez csak a napsugárzásban előforduló különböző hosszúságú elektromágneses hullámok tényének rögzítése volt, de később hullámhosszonkénti eloszlások is születtek .

Spektrumtípusok

Egy fizikai mennyiség értékeinek eloszlásának természeténél fogva a spektrumok lehetnek diszkrét (lineáris), folytonos (folyamatos), valamint diszkrét és folytonos spektrumok kombinációját (szuperpozícióját) is képviselhetik.

Vonalspektrumok példái a tömegspektrumok és egy atom kötött kötött elektronátmeneteinek spektrumai ; a folytonos spektrumok példái a felhevített szilárd test elektromágneses sugárzásának spektruma és az atomok szabad elektronátmeneteinek spektruma; A kombinált spektrumok példái a csillagok emissziós spektrumai , ahol a kromoszférikus abszorpciós vonalak vagy a hangspektrumok nagy része a fotoszféra folytonos spektrumára helyeződik .

A spektrumok tipizálásának másik kritériuma a keletkezésük hátterében álló fizikai folyamatok. Tehát a sugárzás és az anyag közötti kölcsönhatás típusa szerint a spektrumokat emissziós (sugárzási spektrumok), abszorpciós (abszorpciós spektrumok ) és szórási spektrumokra osztják .

Tetszőleges jelek spektruma

1822- ben Fourier , aki a hő szilárd testben történő terjedésének elméletével foglalkozott, megjelentette az "Analytical Theory of Heat" című munkáját, amely jelentős szerepet játszott a matematika későbbi történetében. Ebben a munkájában a függvények trigonometrikus sorozatokkal ( Fourier-sor ) történő ábrázolásán alapuló változók szétválasztási módszerét ( Fourier-transzformáció ) írta le . Fourier kísérletet tett annak bizonyítására is, hogy bármilyen tetszőleges függvény kibővíthető trigonometrikus sorozattá, és bár kísérlete sikertelen volt, valójában ez lett a modern digitális jelfeldolgozás alapja .

Az optikai spektrumokat, például a newtoni spektrumot kvantitatívan a sugárzás intenzitásának a hullámhosszától , vagy ezzel egyenértékűen a frekvenciától való függésének függvényével írjuk le , vagyis a függvényt a frekvenciatartományra állítjuk be. A frekvenciabontást ebben az esetben egy spektroszkóp analizátor végzi - egy prizma vagy egy diffrakciós rács .

Az akusztikai vagy analóg elektromos jelek esetében más a helyzet: a mérés eredménye az intenzitás időfüggőségének függvénye , vagyis ez a függvény az időtartományra (időtartományra) van beállítva. De, mint tudják, a hangjel különböző frekvenciájú hangrezgések szuperpozíciója , azaz egy ilyen jelet "klasszikus" spektrumként is lehet ábrázolni, amelyet .

A Fourier-transzformáció az, amely egyértelműen meghatározza az idő- és frekvenciaábrázolások közötti megfelelést, és a Fourier-spektroszkópia alapja .

Történelmi információk

Történelmileg az összes többi spektrum előtt az optikai spektrumok tanulmányozását kezdték meg. Az első Isaac Newton volt, aki 1704 -ben megjelent „Optika” című művében publikálta kísérleteinek eredményeit, amelyek a fehér fény különböző színű és törésű prizma segítségével különálló komponensekre bontására irányulnak , azaz megkapta a napsugárzás spektrumát. , és elmagyarázták a természetüket, bemutatva, hogy a szín a fény velejárója , és nem prizma vezeti be, ahogy Roger Bacon állította a XIII . Valójában Newton lefektette az optikai spektroszkópia alapjait : az "Optikában" leírta a fénylebontás mindhárom ma is használt módszerét - a fénytörést , az interferenciát és a diffrakciót , és a kollimátorral , réssel és lencsével ellátott prizmája volt az első spektroszkóp.

A következő szakasz 100 évvel később következett be, amikor William Wollaston 1802 - ben sötét vonalakat figyelt meg a napspektrumon, de nem tulajdonított jelentőséget megfigyelésének. 1814 -ben ezeket a vonalakat egymástól függetlenül fedezte fel és írta le részletesen Fraunhofer (ma a napspektrum abszorpciós vonalait Fraunhofer-vonalaknak hívják ), de nem tudta megmagyarázni a természetüket. Fraunhofer több mint 500 vonalat írt le a napsugárzás spektrumában, és megjegyezte, hogy a D vonal helyzete közel van a lángspektrum élénksárga vonalának helyzetéhez.

1854- ben Kirchhoff és Bunsen egy fémsógőzökkel színezett láng spektrumát kezdték el tanulmányozni, és ennek eredményeként lefektették a spektrális elemzés alapjait , az első műszeres spektrális módszereket, a kísérleti tudomány egyik legerősebb módszerét. .

1859- ben Kirchhoff a Berlini Tudományos Akadémia Monthly Communications folyóiratában megjelent egy rövid cikket "On Fraunhofer Lines".

részlet Kirchhoff művéből

A színes lángok spektrumának Bunsennel közösen végzett vizsgálatával kapcsolatban, amely lehetővé tette összetett keverékek minőségi összetételének meghatározását spektrumaik fújólángban való megjelenéséből, néhány olyan megfigyelést tettem, amelyek egy váratlan következtetés a Fraunhofer-vonalak eredetéről, és lehetővé teszi belőlük a Nap és esetleg a fényes állócsillagok légkörének anyagi összetételének megítélését ...

... a színes lángok, amelyek spektrumában világos éles vonalak figyelhetők meg, gyengítik a rajtuk áthaladó ugyanazon fény sugarait, így a világos vonalak helyett sötét vonalak jelennek meg, ha csak a láng mögött van elegendő fényforrás nagy intenzitású, amelynek spektrumában ezek a vonalak általában hiányoznak. Megállapítom továbbá, hogy a napspektrum sötét vonalai, amelyek megjelenésüket nem a földi légkörnek köszönhetik, abból adódnak, hogy a Nap izzó légkörében olyan anyagok jelen vannak, amelyek a láng spektrumában ugyanazon a helyen könnyű vonalak. Feltételezhetjük, hogy a D-vel egybeeső lángspektrum világos vonalait mindig a benne lévő nátrium okozza, így a napspektrum sötét D-vonalai arra engednek következtetni, hogy a nap légkörében nátrium van. Brewster világos vonalakat talált a salétromláng spektrumában az A, a, B Fraunhofer-vonalak helyett; ezek a vonalak a kálium jelenlétét jelzik a szoláris légkörben

Figyelemre méltó, hogy Kirchhoffnak ez a munkája váratlanul filozófiai jelentőségre tett szert: korábban, 1842 -ben a pozitivizmus és a szociológia megalapítója , Auguste Comte pontosan a Nap és a csillagok kémiai összetételét hozta fel példaként a megismerhetetlenre :

Tudjuk, hogyan határozzuk meg alakjukat, távolságukat, tömegüket és mozgásukat , de kémiai és ásványi összetételükről soha nem tudhatunk semmit.

– Auguste Comte , Pozitív filozófia tanfolyam, II. könyv, I. fejezet (1842)

Kirchhoff munkája lehetővé tette a Fraunhofer-vonalak természetének magyarázatát a Nap spektrumában és a légkör kémiai (pontosabban elemi) összetételének meghatározását.

Valójában a spektrális elemzés új korszakot nyitott a tudomány fejlődésében - a spektrumok, mint egy objektum vagy rendszer állapotfüggvényének megfigyelhető értékkészleteinek vizsgálata rendkívül gyümölcsözőnek bizonyult, és végül a tudomány kialakulásához vezetett. kvantummechanika : Planck az abszolút fekete test spektrumának elméletén dolgozva jutott a kvantum ötletéhez .

1910 - ben felvették az első nem-elektromágneses spektrumot : J. J. Thomson megszerezte az első tömegspektrumot , majd 1919 -ben az Aston megépítette az első tömegspektrométert .

A 20. század közepe óta, a rádiótechnika fejlődésével a rádióspektroszkópiás, elsősorban a mágneses rezonancia módszerek is kifejlődtek - a mágneses magrezonancia spektroszkópia ( NMR spektroszkópia , amely ma már az egyik fő módszer a sziget térszerkezetének megállapítására és megerősítésére). szerves vegyületek), elektronparamágneses rezonancia (EPR), ciklotronrezonancia (CR), ferromágneses (FR) és antiferromágneses rezonancia (APR).

A rádiótechnika fejlődéséhez kapcsolódó spektrális kutatások másik iránya a kezdetben hang, majd az esetleges tetszőleges jelek feldolgozása és elemzése volt.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Isaac Newton. Az "A Theory Concerning Light and Colors" tervezete archiválva 2012. március 8-án a Wayback Machine -nél . 1671 vége - 1672 eleje

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban