Спектър

От Уикипедия, свободната енциклопедия
Отидете на навигация Отидете на търсене
Spectrum.svg

Спектърът (на латински spectrum "видео") във физиката е разпределението на стойностите на физическо количество (обикновено енергия , честота или маса ). Обикновено спектърът се отнася до електромагнитния спектър - разпределението на интензитета на електромагнитното излъчване по честота или по дължина на вълната.

Терминът "спектър" е въведен в научна употреба от Нютон през 1671-1672 г. за обозначаване на многоцветна лента, подобна на дъгата, която се получава, когато слънчев лъч преминава през триъгълна стъклена призма . [1]

Историческа справка

Исторически, изследването на оптичните спектри е започнало преди всички други спектри. Първият беше Исак Нютон, който в своя труд "Оптика", публикуван през 1704 г. , публикува резултатите от своите експерименти за разлагане с помощта на призма от бяла светлина на отделни компоненти с различни цветове и пречупвания, тоест той получи спектрите на слънчевата светлина. радиация, и обясни тяхната природа, показвайки, че цветът е присъщо свойство на светлината и не се въвежда от призма, както Роджър Бейкън твърди през 13 век . Всъщност Нютон положи основите на оптичната спектроскопия : в "Оптика" той описва и трите използвания днес метода за разлагане на светлината - пречупване , интерференция и дифракция , а неговата призма с колиматор , процеп и леща е първият спектроскоп.

Следващият етап идва 100 години по-късно, когато Уилям Уоластън наблюдава тъмни линии в слънчевия спектър през 1802 г. , но не придава никакво значение на своите наблюдения. През 1814 г. тези линии са независимо открити и подробно описани от Фраунхофер (сега абсорбционните линии в слънчевия спектър се наричат линии на Фраунхофер ), но не могат да обяснят тяхната природа. Фраунхофер описва над 500 линии в слънчевия спектър и отбелязва, че позицията на линията D е близка до позицията на ярко жълтата линия в спектъра на пламъка.

През 1854 г. Кирхоф и Бунзен започват да изучават спектрите на пламъците, оцветени с пари на метални соли, и в резултат на това те поставят основите на спектралния анализ , първия от инструменталните спектрални методи - един от най-мощните методи на експерименталната наука.

През 1859 г. Кирхоф публикува кратка статия „За линиите на Фраунхофер“ в списание Monthly Communications на Берлинската академия на науките. В него той написа:

Кирхоф - спектроскоп на Бунзен , Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860) .

Във връзка с изследването на спектрите на цветните пламъци, извършено от мен съвместно с Бунзен, благодарение на което стана възможно да се определи качественият състав на сложните смеси чрез появата на техните спектри в пламъка на паялна лампа, направих някои наблюдения което води до неочаквано заключение за произхода на линиите на Фраунхофер и прави възможно да се съди от тях за материалния състав на атмосферата на Слънцето и, вероятно, също така ярки неподвижни звезди ...

... цветни пламъци, в чийто спектри се наблюдават леки остри линии, толкова отслабват преминаващите през тях лъчи на същата светлина, че на мястото на светлите линии се появяват тъмни линии, ако само зад пламъка има достатъчно източник на светлина висока интензивност, в чийто спектър тези линии обикновено липсват. Освен това заключавам, че тъмните линии на слънчевия спектър, които не дължат появата си на земната атмосфера, възникват поради наличието в нажежаема атмосфера на слънцето на такива вещества, които в спектъра на пламъка на едно и също място дават светли линии. Трябва да се приеме, че светлите линии, съвпадащи с D в спектъра на пламъка, винаги са причинени от натрия в него, следователно тъмните D линии на слънчевия спектър ни позволяват да заключим, че в атмосферата на Слънцето има натрий. Брюстър открива светлинни линии в спектъра на пламъка на селитра на мястото на линиите на Фраунхофер A, a, B; тези линии показват наличието на калий в слънчевата атмосфера

Оптична линия емисионен спектър на азот

Прави впечатление, че тази работа на Кирхоф неочаквано придоби философско значение: по-рано, през 1842 г. , основателят на позитивизма и социологията Огюст Конт цитира химическия състав на Слънцето и звездите като пример за непознаваемото:

Ние разбираме как да определим тяхната форма, разстояния до тях, тяхната маса и движение , но никога няма да можем да разберем нищо за техния химичен и минералогичен състав.

- Огюст Конт , Курс по позитивна философия, книга II, глава I (1842)

Работата на Кирхоф дава възможност да се обясни естеството на линиите на Фраунхофер в слънчевия спектър и да се определи химическият (или по-точно елементарният) състав на неговата атмосфера.

Всъщност спектралният анализ откри нова ера в развитието на науката - изучаването на спектрите като наблюдаеми набори от стойности на функцията на състоянието на обект или система се оказа изключително плодотворно и в крайна сметка доведе до появата на квантова механика : Планк стигна до идеята за квант в процеса на работа върху теорията на спектъра на абсолютно черно тяло .

През 1910 г. са получени първите неелектромагнитни спектри : J.J. Thomson получава първите масови спектри , а след това през 1919 г. Астън създава първия мас спектрометър .

От средата на 20 век, с развитието на радиотехниката, се развиват радиоспектроскопски, предимно магнитен резонанс, методи - ядрено-магнитен резонанс спектроскопия ( ЯМР спектроскопия , която днес е един от основните методи за установяване и потвърждаване на пространствената структура на органичните съединения), електронен парамагнитен резонанс (EPR), циклотронен резонанс (CR), феромагнитен (FR) и антиферомагнитен резонанс (AFR).

Друга област на спектрални изследвания, свързана с развитието на радиотехниката, беше обработката и анализа на първоначално звукови, а след това на произволни сигнали.

Видове спектър

Две представяния на оптичния спектър : отгоре "естествено" (видимо в спектроскопа ), отдолу - като зависимост на интензитета от дължината на вълната. Показан е комбинираният спектър на слънчевата радиация. Абсорбционните линии на водородната серия на Balmer са маркирани .

По естеството на разпределението на стойностите на физическа величина, спектрите могат да бъдат дискретни (линии), непрекъснати (плътни), а също и да представляват комбинация (наслагване) от дискретни и непрекъснати спектри.

Примери за линейни спектри са мас спектри и спектри на свързани електронни преходи на атом ; примери за непрекъснати спектри са спектърът на електромагнитното излъчване на нагрято твърдо вещество и спектърът на свободните електронни преходи на атома; примери за комбинирани спектри са емисионните спектри на звездите , където хромосферните абсорбционни линии или повечето от звуковите спектри са насложени върху непрекъснатия спектър на фотосферата .

Друг критерий за типизиране на спектрите са физическите процеси, лежащи в основата на тяхното придобиване. И така, според вида на взаимодействието на радиацията с материята, спектрите се разделят на емисионни (радиационни спектри), абсорбционни ( спектри на абсорбция) и спектри на разсейване.

Произволни сигнални спектри: честотно и времево представяне

Спектър на ядрено-магнитен резонанс ( 1 Н), получен чрез Фурие ЯМР спектроскопия. Оригиналният времеви спектър (интензитет-време) е показан в червено, а честотният (интензитет-честота), получен чрез трансформацията на Фурие, е показан в синьо.

През 1822 г. Фурие , който изучава теорията за разпространението на топлина в твърдо тяло, публикува своя труд "Аналитична теория на топлината", който изигра значителна роля в последващата история на математиката. В тази работа той описва метод за разделяне на променливи ( преобразуване на Фурие ), базиран на представянето на функциите чрез тригонометричен ред ( ред на Фурие ). Фурие също направи опит да докаже, че всяка произволна функция може да бъде разложена на тригонометричен ред и въпреки че опитът му беше неуспешен, той всъщност се превърна в основата на съвременната цифрова обработка на сигнали .

Оптичните спектри, например нютонови, се описват количествено чрез функцията на зависимостта на интензитета на радиацията от дължината на вълната му или, еквивалентно, на честотата , тоест функцията посочени в честотната област. Честотното разлагане в този случай се извършва от спектроскопския анализатор - призма или дифракционна решетка .

В случай на акустика или аналогови електрически сигнали ситуацията е различна: резултатът от измерването е функция на интензитета спрямо времето , тоест тази функция е посочена във времевия домейн. Но, както знаете, звуковият сигнал е суперпозиция от звукови вибрации с различни честоти , тоест такъв сигнал може да бъде представен под формата на описан "класически" спектър ...

Преобразуването на Фурие е това, което еднозначно определя съответствието между и и е в основата на спектроскопията на Фурие .

Вижте също

Бележки (редактиране)

  1. Исак Нютон. Чернова на "Теория относно светлината и цветовете" . В края на 1671 - началото на 1672 г

литература

  • Вавилов С. И. Принципи и хипотези на оптиката на Нютон. Събрани произведения. - М .: Издателство на Академията на науките на СССР, 1956 .-- Т. 3.
  • Тарасов K.I. Спектрални инструменти . - Л .: Машиностроене, 1968.
  • Густав Кирхоф, Робърт Бунзен. Химичен анализ чрез наблюдение на спектри / англ. превод от Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), том. 110 (1860).

Връзки