Spektrum

z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Přejít na navigaci Přejít na hledání
Spectrum.svg

Spektrum ( latinsky spektrum „video“) ve fyzice je rozložení hodnot fyzikální veličiny (obvykle energie , frekvence nebo hmotnosti ). Obvykle se spektrum vztahuje k elektromagnetickému spektru - rozložení intenzity elektromagnetického záření podle frekvence nebo podle vlnové délky.

Termín "spektrum" zavedl do vědeckého použití Newton v letech 1671-1672 k označení vícebarevného pruhu, podobného duze, který se získává, když sluneční paprsek prochází trojúhelníkovým skleněným hranolem . [1]

Historické pozadí

Historicky bylo studium optických spekter zahájeno před všemi ostatními spektry. Prvním byl Isaac Newton, který ve své práci „Optika“, publikované v roce 1704 , publikoval výsledky svých pokusů o rozkladu pomocí hranolu bílého světla na samostatné složky různých barev a lomů, to znamená, že obdržel spektra slunečního záření. záření a vysvětlil jejich povahu a ukázal, že barva je vnitřní vlastností světla a není zavedena hranolem, jak tvrdil Roger Bacon ve 13. století . Ve skutečnosti Newton položil základy optické spektroskopie : v "Optice" popsal všechny tři dnes používané metody rozkladu světla - lom , interferenci a difrakci a jeho hranol s kolimátorem , štěrbinou a čočkou byl prvním spektroskopem.

Další fáze přišla o 100 let později, když William Wollaston v roce 1802 pozoroval tmavé čáry ve slunečním spektru, ale svým pozorováním nepřikládal žádný význam. V roce 1814 tyto čáry nezávisle objevil a podrobně popsal Fraunhofer (nyní se absorpční čáry ve slunečním spektru nazývají Fraunhoferovy čáry ), ale nedokázal vysvětlit jejich povahu. Fraunhofer popsal přes 500 čar ve slunečním spektru a poznamenal, že poloha čáry D se blíží poloze jasně žluté čáry ve spektru plamene.

V roce 1854 začali Kirchhoff a Bunsen studovat spektra plamenů zbarvených výpary kovových solí a jako výsledek položili základy spektrální analýzy , první z instrumentálních spektrálních metod - jedné z nejmocnějších metod experimentální vědy.

V roce 1859 Kirchhoff publikoval krátký článek „On the Fraunhofer Lines“ v časopise Monthly Communications Berlínské akademie věd. V něm napsal:

Kirchhoff - Bunsen Spectroscope, Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), sv. 110 (1860) .

V souvislosti se studiem spekter barevných plamenů, které jsem prováděl spolu s Bunsenem, díky kterému bylo možné určit kvalitativní složení složitých směsí podle vzhledu jejich spekter v plameni hořáku, jsem provedl několik pozorování vedoucí k neočekávanému závěru o původu Fraunhoferových linií a umožňující z nich soudit o hmotném složení atmosféry Slunce a případně i jasných stálic ...

... barevné plameny, v jejichž spektrech jsou pozorovány světlé ostré čáry, tak zeslabují jimi procházející paprsky téhož světla, že se místo světelných čar objevují tmavé čáry, pokud pouze za plamenem je světelný zdroj dostatečně vysoká intenzita, v jejímž spektru tyto čáry obvykle chybí. Dále docházím k závěru, že tmavé čáry slunečního spektra, které nevděčí za svůj vzhled zemské atmosféře, vznikají v důsledku přítomnosti takových látek ve žhnoucí atmosféře slunce, které ve spektru plamene na stejném místě poskytují světelné čáry. Mělo by se předpokládat, že světlé čáry shodující se s D ve spektru plamene jsou vždy způsobeny sodíkem v něm, proto nám tmavé D čáry slunečního spektra umožňují usoudit, že v atmosféře Slunce je sodík. Brewster našel světlé čáry ve spektru plamene ledku místo Fraunhoferových čar A, a, B; tyto čáry ukazují přítomnost draslíku ve sluneční atmosféře

Optické čárové emisní spektrum dusíku

Je pozoruhodné, že toto Kirchhoffovo dílo nečekaně získalo filozofický význam: dříve, v roce 1842 , zakladatel pozitivismu a sociologie Auguste Comte uvedl chemické složení Slunce a hvězd jako příklad nepoznaného:

Chápeme, jak určit jejich tvar, vzdálenosti k nim, jejich hmotnost a jejich pohyby , ale nikdy nebudeme schopni zjistit nic o jejich chemickém a mineralogickém složení.

- Auguste Comte , Kurz pozitivní filozofie, kniha II, kapitola I (1842)

Kirchhoffova práce umožnila vysvětlit povahu Fraunhoferových čar ve slunečním spektru a určit chemické (nebo přesněji elementární) složení jeho atmosféry.

Spektrální analýza ve skutečnosti otevřela novou éru ve vývoji vědy - studium spekter jako pozorovatelných souborů hodnot stavové funkce objektu nebo systému se ukázalo jako extrémně plodné a nakonec vedlo ke vzniku kvantová mechanika : Planck přišel na myšlenku kvanta v procesu práce na teorii spektra absolutně černého tělesa .

V roce 1910 byla získána první neelektromagnetická spektra : J. J. Thomson získal první hmotnostní spektra a poté v roce 1919 Aston postavil první hmotnostní spektrometr .

Od poloviny 20. století se s rozvojem radiotechniky, radiospektroskopie, především magnetické rezonance, rozvíjely metody - nukleární magnetická rezonanční spektroskopie ( NMR spektroskopie , která je dnes jednou z hlavních metod pro stanovení a potvrzení prostorové struktury organických látek). sloučeniny), elektronová paramagnetická rezonance (EPR ), cyklotronová rezonance (CR), feromagnetická (FR) a antiferomagnetická rezonance (AFR).

Další oblastí spektrálního výzkumu spojeného s rozvojem radiotechniky bylo zpracování a analýza původně zvukových a poté libovolných signálů.

Typy spektra

Dvě reprezentace optického spektra : shora "přirozené" (viditelné ve spektroskopu ), zdola - jako závislost intenzity na vlnové délce. Zobrazeno je kombinované spektrum slunečního záření. Absorpční čáry vodíku řady Balmer jsou označeny .

Podle povahy rozložení hodnot fyzikální veličiny mohou být spektra diskrétní (čára), spojitá (plná) a také představují kombinaci (překrytí) diskrétních a spojitých spekter.

Příklady čarových spekter jsou hmotnostní spektra a spektra vázaných elektronových přechodů atomu ; příklady spojitých spekter jsou spektrum elektromagnetického záření zahřáté pevné látky a spektrum volných volných elektronových přechodů atomu; příklady kombinovaných spekter jsou emisní spektra hvězd , kde chromosférické absorpční čáry nebo většina zvukových spekter jsou superponovány na spojitém spektru fotosféry .

Dalším kritériem pro typování spekter jsou fyzikální procesy, které jsou základem jejich získávání. Takže podle typu interakce záření s hmotou se spektra dělí na emisní (spektra záření), absorpční (absorpční spektra ) a rozptylová spektra.

Libovolná spektra signálů: frekvenční a časové vyjádření

Nukleární rezonance magnetické spektrum (1 H), získaný podle Fourierova NMR spektroskopií. Původní časové spektrum (intenzita-čas) je znázorněno červeně a frekvenční (intenzita-frekvenční) spektrum získané Fourierovou transformací je znázorněno modře.

V roce 1822 Fourier , který studoval teorii šíření tepla v pevné látce, publikoval svou práci „The Analytical Theory of Heat“, která sehrála významnou roli v následující historii matematiky. V této práci popsal metodu separace proměnných ( Fourierova transformace ), založenou na reprezentaci funkcí trigonometrickými řadami ( Fourierova řada ). Fourier se také pokusil dokázat, že libovolnou libovolnou funkci lze rozložit na trigonometrické řady, a přestože jeho pokus byl neúspěšný, ve skutečnosti se stal základem moderního digitálního zpracování signálu .

Optická spektra, například newtonská, jsou kvantitativně popsána funkcí závislosti intenzity záření na jeho vlnové délce nebo ekvivalentně na frekvenci , tedy funkce specifikované ve frekvenční oblasti. Frekvenční rozklad v tomto případě provádí spektroskopický analyzátor - hranol nebo difrakční mřížka .

V případě akustických nebo analogových elektrických signálů je situace jiná: výsledek měření je funkcí intenzity v závislosti na čase , to znamená, že tato funkce je specifikována v časové oblasti. Ale jak víte, zvukový signál je superpozice zvukových vibrací různých frekvencí , to znamená, že takový signál může být reprezentován ve formě popsaného „klasického“ spektra ...

Je to Fourierova transformace, která jednoznačně určuje shodu mezi a a je základem Fourierovy spektroskopie .

viz také

Poznámky (upravit)

  1. Isaac Newton. Návrh "Teorie týkající se světla a barev" . Koncem roku 1671 - začátkem roku 1672

Literatura

  • Vavilov SI Principy a hypotézy Newtonovy optiky. Sebrané spisy. - M .: Nakladatelství Akademie věd SSSR, 1956 .-- T. 3.
  • Tarasov K.I. Spektrální přístroje . - L .: Strojírenství, 1968.
  • Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Chemická analýza pozorováním spekter / Engl. překlad z Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), sv. 110 (1860).

Odkazy