Spectrum

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Spectrum.svg

Spektar ( latinski spectrum "video") u fizici je raspodjela vrijednosti fizičke veličine (obično energije , frekvencije ili mase ). Obično se spektar odnosi na elektromagnetski spektar - distribuciju intenziteta elektromagnetnog zračenja po frekvenciji ili talasnoj dužini.

Termin "spektar" je u naučnu upotrebu uveo Njutn 1671-1672 za označavanje raznobojne trake, slične dugi, koja se dobija kada sunčev zračak prođe kroz trouglastu staklenu prizmu . [1]

Istorijska pozadina

Istorijski gledano, proučavanje optičkih spektra je počelo prije svih drugih spektra. Prvi je bio Isaac Newton, koji je u svom djelu "Optika", objavljenom 1704. godine , objavio rezultate svojih eksperimenata o razgradnji pomoću prizme bijele svjetlosti na zasebne komponente različitih boja i prelamanja, odnosno dobio je spektre Sunca. zračenja, i objasnio njihovu prirodu, pokazujući da je boja suštinsko svojstvo svetlosti i da nije uvedena prizmom, kao što je Rodžer Bekon tvrdio u 13. veku . Zapravo, Newton je postavio temelje optičke spektroskopije : u "Optici" je opisao sve tri metode razgradnje svjetlosti koje se danas koriste - refrakciju , interferenciju i difrakciju , a njegova prizma s kolimatorom , prorezom i sočivom bila je prvi spektroskop.

Sljedeća faza nastupila je 100 godina kasnije, kada je William Wollaston 1802. godine primijetio tamne linije u sunčevom spektru, ali nije pridao nikakav značaj svojim zapažanjima. Godine 1814. ove linije je nezavisno otkrio i detaljno opisao Fraunhofer (sada se apsorpcione linije u sunčevom spektru nazivaju Fraunhoferovim linijama ), ali nisu mogli objasniti njihovu prirodu. Fraunhofer je opisao preko 500 linija u sunčevom spektru i primijetio da je položaj D linije blizak položaju svijetlo žute linije u spektru plamena.

Godine 1854. Kirchhoff i Bunsen su započeli proučavanje spektra plamena obojenih parama metalnih soli, i kao rezultat toga, postavili su temelje spektralnoj analizi , prvoj instrumentalnoj spektralnoj metodi - jednoj od najmoćnijih metoda eksperimentalne nauke.

Godine 1859. Kirchhoff je objavio kratak članak "O Fraunhoferovim linijama" u časopisu Monthly Communications Berlinske akademije nauka. U njemu je napisao:

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

U vezi sa proučavanjem spektra obojenog plamena koje sam proveo zajedno s Bunsenom, zahvaljujući kojem je postalo moguće odrediti kvalitativni sastav složenih smjesa pojavom njihovih spektra u plamenu puhačke lampe, napravio sam neka zapažanja što dovodi do neočekivanog zaključka o poreklu Fraunhoferovih linija i omogućava da se iz njih sudi o materijalnom sastavu atmosfere Sunca i, moguće, i sjajnih fiksnih zvijezda...

... obojeni plamenovi, u čijim se spektrima uočavaju svijetle oštre linije, toliko slabe zrake iste svjetlosti koje prolaze kroz njih da se umjesto svjetlosnih linija pojavljuju tamne linije, samo ako se iza plamena nalazi izvor svjetlosti dovoljno visokog intenziteta, u čijem spektru ove linije obično nema. Nadalje zaključujem da tamne linije sunčevog spektra, koje svoj izgled ne duguju zemljinoj atmosferi, nastaju zbog prisustva u užarenoj atmosferi Sunca takvih tvari koje u spektru plamena na istom mjestu daju svjetlosne linije. Treba pretpostaviti da su svjetlosne linije koje se poklapaju sa D u spektru plamena uvijek uzrokovane natrijem u njemu, stoga nam tamne D linije sunčevog spektra omogućavaju da zaključimo da u atmosferi Sunca postoji natrij. Brewster je pronašao svjetlosne linije u spektru plamena salitre umjesto Fraunhoferovih linija A, a, B; ove linije ukazuju na prisustvo kalijuma u sunčevoj atmosferi

Optički linijski emisioni spektar dušika

Važno je napomenuti da je ovaj Kirchhoffov rad neočekivano dobio filozofski značaj: ranije, 1842. godine , osnivač pozitivizma i sociologije Auguste Comte naveo je hemijski sastav Sunca i zvijezda kao primjer nepoznatog:

Znamo kako odrediti njihov oblik, udaljenosti do njih, njihovu masu i njihovo kretanje , ali nikada nećemo moći saznati ništa o njihovom kemijskom i mineraloškom sastavu.

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

Kirchhoffov rad je omogućio da se objasni priroda Fraunhoferovih linija u sunčevom spektru i da se odredi kemijski (ili, preciznije, elementarni) sastav njegove atmosfere.

Zapravo, spektralna analiza otvorila je novu eru u razvoju nauke - proučavanje spektra kao vidljivih skupova vrijednosti funkcije stanja objekta ili sistema pokazalo se izuzetno plodnim i, na kraju, dovelo do pojave kvantna mehanika : Planck je došao na ideju kvanta u procesu rada na teoriji spektra apsolutno crnog tijela .

Godine 1910. dobijeni su prvi neelektromagnetski spektri : J.J. Thomson je dobio prve masene spektre , a zatim je 1919. Aston napravio prvi maseni spektrometar .

Od sredine 20. stoljeća, razvojem radiotehnike, razvile su se radiospektroskopske, prvenstveno magnetne rezonancije - spektroskopija nuklearne magnetne rezonance ( NMR spektroskopija , koja je danas jedna od glavnih metoda za utvrđivanje i potvrđivanje prostorne strukture organskih tvari). spojeva), elektronska paramagnetna rezonancija (EPR), ciklotronska rezonanca (CR), feromagnetna (FR) i antiferomagnetna rezonancija (AFR).

Još jedno područje spektralnog istraživanja povezanog s razvojem radiotehnike bila je obrada i analiza prvobitno zvučnih, a potom bilo kakvih proizvoljnih signala.

Tipovi spektra

Dva prikaza optičkog spektra : odozgo "prirodno" (vidljivo u spektroskopu ), odozdo - kao zavisnost intenziteta od talasne dužine. Prikazan je kombinovani spektar sunčevog zračenja. Apsorpcione linije Balmerove serije vodonika su označene .

Po prirodi raspodjele vrijednosti fizičke veličine, spektri mogu biti diskretni (linijski), kontinuirani (čvrsti), a također predstavljaju kombinaciju (preklapanje) diskretnih i kontinuiranih spektra.

Primjeri linijskih spektra su maseni spektri i spektri vezanih elektronskih prijelaza atoma ; primjeri kontinuiranih spektra su spektar elektromagnetnog zračenja zagrijane čvrste tvari i spektar slobodnih elektronskih prijelaza atoma; primjeri kombinovanih spektra su emisioni spektri zvijezda , gdje su hromosferske apsorpcione linije ili većina zvučnih spektra superponirani na kontinuirani spektar fotosfere .

Drugi kriterij za tipizaciju spektra su fizički procesi koji su u osnovi njihovog sticanja. Dakle, prema vrsti interakcije zračenja sa materijom, spektri se dijele na emisione (spektre zračenja), apsorpcione (apsorpcione spektre ) i spektre raspršenja.

Proizvoljni spektri signala: frekvencijski i vremenski prikaz

Spektar nuklearne magnetne rezonance ( 1 H) dobijen Fourier NMR spektroskopijom. Originalni vremenski spektar (intenzitet-vrijeme) je prikazan crvenom bojom, a frekvencijski (intenzitet-frekvencija) spektar dobijen Fourierovom transformacijom je prikazan plavom bojom.

Godine 1822, Fourier , koji je proučavao teoriju širenja toplote u čvrstom stanju, objavio je svoj rad "Analitička teorija toplote", koji je odigrao značajnu ulogu u kasnijoj istoriji matematike. U ovom radu opisao je metodu za razdvajanje varijabli ( Fourierova transformacija ), zasnovanu na predstavljanju funkcija trigonometrijskim redovima ( Fourierov red). Fourier je također pokušao da dokaže da se svaka proizvoljna funkcija može razložiti u trigonometrijski niz, i, iako je njegov pokušaj bio neuspješan, on je, zapravo, postao osnova moderne digitalne obrade signala .

Optički spektri, na primjer, Njutnov, kvantitativno su opisani funkcijom zavisnosti intenziteta zračenja o njegovoj talasnoj dužini ili, ekvivalentno, na frekvenciji , odnosno funkcija specificirano u frekvencijskom domenu. Frekvencijsku dekompoziciju u ovom slučaju vrši spektroskopski analizator – prizma ili difrakciona rešetka .

U slučaju akustike ili analognih električnih signala, situacija je drugačija: rezultat mjerenja je funkcija intenziteta u odnosu na vrijeme , odnosno ova funkcija je specificirana u vremenskoj domeni. Ali, kao što znate, zvučni signal je superpozicija zvučnih vibracija različitih frekvencija , odnosno takav signal se može predstaviti u obliku "klasičnog" opisanog spektra ...

Fourierova transformacija je ta koja jedinstveno određuje korespondenciju između i i leži u osnovi Fourierove spektroskopije .

vidi takođe

Bilješke (uredi)

  1. Isaac Newton. Nacrt "Teorije o svjetlosti i bojama" . Krajem 1671. - početkom 1672

Književnost

  • Vavilov SI Principi i hipoteze Newtonove optike. Collected Works. - M .: Izdavačka kuća Akademije nauka SSSR-a, 1956.-- T. 3.
  • Tarasov K.I. Spektralni instrumenti . - L .: Mašinstvo, 1968.
  • Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Hemijska analiza posmatranjem spektra / Engl. prijevod iz Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), sv. 110 (1860).

Linkovi