Спектр

Матэрыял з Вікіпедыі - вольнай энцыклапедыі
Перайсці да навігацыі Перайсці да пошуку
Spectrum.svg

Спектр ( лац .: spectrum «бачанне») у фізіцы — размеркаванне значэнняў фізічнай велічыні (звычайна энергіі , частаты або масы ). Звычайна пад спектрам маецца на ўвазе электрамагнітны спектр - размеркаванне інтэнсіўнасці электрамагнітнага выпраменьвання па частотах або па даўжынях хваль.

У навуковы ўжытак тэрмін "спектр" увёў Ньютан у 1671-1672 гадах для абазначэння шматколернай паласы, падобнай на вясёлку, якая атрымліваецца пры праходжанні сонечнага прамяня праз трохкутную шкляную прызму . [1]

Гістарычныя звесткі

Гістарычна раней за ўсіх іншых спектраў было пачата даследаванне аптычных спектраў. Першым быў Ісаак Ньютан, які ў сваёй працы «Оптыка», які выйшаў у 1704 году , апублікаваў вынікі сваіх досведаў раскладання з дапамогай прызмы белага святла на асобныя кампаненты рознай каляровасці і пераламляльнасці, гэта значыць атрымаў спектры сонечнага выпраменьвання, і патлумачыў іх прыроду, паказаўшы, што колер ёсць уласная ўласцівасць святла , а не ўносіцца прызмай, як сцвярджаў Роджэр Бэкан у XIII стагоддзі . Фактычна, Ньютан заклаў асновы аптычнай спектраскапіі : у «Оптыцы» ён апісаў усе тры выкарыстоўваных дагэтуль метаду раскладання святла – праламленне , інтэрферэнцыю і дыфракцыю , а яго прызма з каліматарам , шчылінай і лінзай была першым спектраскопам.

Наступны этап наступіў праз 100 гадоў, калі Уільям Воластон у 1802 годзе назіраў цёмныя лініі ў сонечным спектры, але не надаў сваім назіранням значэння. У 1814 годзе гэтыя лініі незалежна выявіў і падрабязна апісаў Фраўнгофер (цяпер лініі паглынання ў сонечным спектры называюцца лініямі Фраўнгофера ), але не змог растлумачыць іх прыроду. Фраўнгофер апісаў звыш 500 ліній у сонечным спектры і адзначыў, што становішча лініі D блізкае да становішча яркай жоўтай лініі ў спектры полымя.

У 1854 годзе Кірхгоф і Бунзен пачалі вывучаць спектры полымя, афарбаванага парамі металічных соляў, і ў выніку імі былі закладзены асновы спектральнага аналізу , першага з інструментальных спектральных метадаў - адных з самых магутных метадаў эксперыментальнай навукі.

У 1859 годзе Кірхгоф апублікаваў у часопісе «Штомесячныя паведамленні Берлінскай акадэміі навук» невялікі артыкул «Аб фраўнгоферавых лініях». У ёй ён пісаў:

Спектраскоп Кірхгофа - Бунзена , Annalen der Physik і der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860) .

У сувязі з выкананым мною сумесна з Бунзенам даследаваннем спектраў афарбаваных полымяў, дзякуючы якому стала магчымым вызначыць якасны склад складаных сумесяў па выглядзе іх спектраў у полымі паяльнай лямпы, я зрабіў некаторыя назіранні, якія прыводзяць да нечаканай высновы аб паходжанні фраўнгоферавых ліній і што дазваляюць па іх судзіць рэчыўным складзе атмасферы Сонца і, магчыма, таксама яркіх нерухомых зорак…

…афарбаваныя полымя, у спектрах якіх назіраюцца светлыя рэзкія лініі, так саслабляюць праходзілыя праз іх прамяні таго ж святла, што на месцы светлых ліній з'яўляюцца цёмныя, калі толькі за полымем знаходзіцца крыніца святла досыць вялікай інтэнсіўнасці, у спектры якога гэтыя лініі звычайна адсутнічаюць. Я далей заключаю, што цёмныя лініі сонечнага спектру, не абавязаныя сваім з'яўленнем зямной атмасферы, узнікаюць з-за прысутнасці ў распаленай атмасферы Сонцы такіх рэчываў, якія ў спектры полымя на тым жа самым месцы даюць светлыя лініі. Варта прыняць, што супадаючыя з D светлыя лініі ў спектры полымя заўсёды выклікаюцца натрыем, якія знаходзяцца ў ім, таму цёмныя лініі D сонечнага спектру дазваляюць заключыць, што ў атмасферы Сонца маецца натрый. Брустар знайшоў у спектры полымя салетры светлыя лініі на месцы фраўнгоферавых ліній А, а, У; гэтыя лініі паказваюць на прысутнасць калію ў сонечнай атмасферы

Аптычны лінейкавы эмісійны спектр азоту

Характэрна, што гэтая праца Кірхгофа нечакана набыла і філасофскае значэнне: раней, у 1842 годзе , заснавальнік пазітывізму і сацыялогіі Агюст Конт у якасці прыкладу непазнавальнага прывёў менавіта хімічны склад Сонца і зорак .

Мы разумеем, як вызначыць іх форму, адлегласці да іх, іх масу і іх рухі , але мы ніколі не зможам нічога даведацца пра іх хімічны і мінералагічны склад

- Агюст Конт , "Курс пазітыўнай філасофіі", Кніга II, Кіраўнік I (1842)

Праца Кірхгофа дазволіла растлумачыць прыроду фраўнгоферавых ліній у спектры Сонца і вызначыць хімічны (або, дакладней, элементны) склад яго атмасферы.

Фактычна, спектральны аналіз адкрыў новую эпоху ў развіцці навукі - даследаванне спектраў як назіраных набораў значэнняў функцыі стану аб'екта або сістэмы апынулася надзвычай плённым і, у канчатковым выніку, прывяло да з'яўлення квантавай механікі . Планк прыйшоў да ідэі кванта падчас працы над тэорыяй спектру абсалютна чорнага. целы .

У 1910 годзе былі атрыманы першыя неэлектрамагнітныя спектры : Дж. Дж. Томсан атрымаў першыя мас-спектры , а затым у 1919 годзе Астан пабудаваў першы мас-спектрометр .

З сярэдзіны XX стагоддзя, з развіццём радыётэхнікі, атрымалі развіццё радиоспектроскопические, у першую чаргу магніта-рэзанансныя метады - спектраскапіі ядзернага магнітнага рэзанансу ( ЯМР -спектроскопия, якая з'яўляецца цяпер адным з асноўных метадаў ўстанаўлення і пацверджання прасторавай структуры арганічных злучэнняў), электроннага парамагнітнага рэзанансу (ЭПР ), Цыклатроннага рэзанансу (ЦР), ферамагнітнага (ФР) і антыферамагнітнага рэзанансу (АФР).

Іншым кірункам спектральных даследаванняў, злучаным з развіццём радыётэхнікі, стала апрацоўка і аналіз першапачаткова гукавых, а потым і любых адвольных сігналаў.

Тыпы спектраў

Два ўяўленні аптычнага спектру : зверху «натуральнае» (бачнае ў спектраскопе ), знізу - як залежнасць інтэнсіўнасці ад даўжыні хвалі. Паказаны камбінаваны спектр выпраменьвання сонца . Адзначаны лініі паглынання бальмераўскай серыі вадароду.

Па характары размеркавання значэнняў фізічнай велічыні спектры могуць быць дыскрэтнымі (лінейчатымі), бесперапыннымі (суцэльнымі), а таксама прадстаўляць камбінацыю (накладанне) дыскрэтных і бесперапынных спектраў.

Прыкладамі лінейкавых спектраў могуць служыць мас-спектры і спектры звязана-звязаных электронных пераходаў атама ; прыкладамі бесперапынных спектраў - спектр электрамагнітнага выпраменьвання нагрэтага цвёрдага цела і спектр свабодна-вольных электронных пераходаў атама; прыкладамі камбінаваных спектраў - спектры выпраменьвання зорак , дзе на суцэльны спектр фотасферы накладваюцца хромасферныя лініі паглынання або большасць гукавых спектраў.

Іншым крытэрам тыпізацыі спектраў служаць фізічныя працэсы, якія ляжаць у аснове іх атрымання. Так, па тыпе ўзаемадзеяння выпраменьвання з матэрыяй, спектры дзеляцца на эмісійныя (спектры выпраменьвання), абсарбцыйныя ( спектры паглынання ) і спектры рассейвання.

Спектры адвольных сігналаў: частотнае і часавае ўяўленні

Спектр ядзернага магнітнага рэзанансу (1 H), атрыманы метадам Фур'е-спектраскапіі ЯМР. Чырвоным паказаны зыходны часавы спектр (інтэнсіўнасць-час), сінім - частотны (інтэнсіўнасць-частата), атрыманы Фур'е-пераўтварэннем .

У 1822 годзе Фур'е , які займаўся тэорыяй распаўсюджвання цяпла ў цвёрдым целе, апублікаваў працу "Аналітычная тэорыя цяпла", якая адыграла значную ролю ў наступнай гісторыі матэматыкі. У гэтай працы ён апісаў метад падзелу зменных ( пераўтварэнне Фур'е ), заснаваны на прадстаўленні функцый трыганаметрычнымі шэрагамі ( рады Фур'е ). Фур'е таксама зрабіў спробу даказаць магчымасць раскладання ў трыганаметрычны шэраг любой адвольнай функцыі, і, хоць яго спроба аказалася няўдалай, яна, фактычна, стала асновай сучаснай лічбавай апрацоўкі сігналаў .

Аптычныя спектры, напрыклад, Ньютанаўскі, колькасна апісваюцца функцыяй залежнасці інтэнсіўнасці выпраменьвання ад яго даўжыні хвалі. ці, што эквівалентна, ад частаты , гэта значыць функцыя зададзена на частотнай вобласці (frequency domain). Частотнае разлажэнне ў гэтым выпадку выконваецца аналізатарам спектраскопа - прызмай або дыфракцыйнай рашоткай .

У выпадку акустыкі ці аналагавых электрычных сігналаў сітуацыя іншая: вынікам вымярэння з'яўляецца функцыя залежнасці інтэнсіўнасці ад часу , гэта значыць гэтая функцыя зададзена на часовай вобласці (time domain). Але, як вядома, гукавы сігнал з'яўляецца суперпазіцыяй гукавых ваганняў розных частот , гэта значыць такі сігнал можна прадставіць і ў выглядзе "класічнага" спектру, апісванага .

Менавіта пераўтварэнне Фур'е адназначна вызначае адпаведнасць паміж і і ляжыць у аснове Фур'е-спектраскапіі .

Глядзіце таксама

Нататкі

  1. Isaac Newton. Draft of "А Theory Concerning Light and Colors" . Канец 1671 - пачатак 1672 гадоў

Літаратура

  • Вавілаў С. І. Прынцыпы і гіпотэзы оптыкі Ньютана. Збор твораў. - М . : Выд-ць АН СССР, 1956. - Т. 3.
  • Тарасаў К. І. Спектральныя прыборы . - Л .: Машынабудаванне, 1968.
  • Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Chemical Analysis by Observation of Spectra / Engl. translation from Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).

Спасылкі