Спектар

Од Википедија, бесплатната енциклопедија
Одете во навигација Одете на пребарување
Spectrum.svg

Спектар ( латински спектар „видео“) во физиката е распределба на вредностите на физичката количина (обично енергија , фреквенција или маса ). Обично, спектарот се однесува на електромагнетниот спектар - распределбата на интензитетот на електромагнетното зрачење по фреквенција или по бранова должина.

Терминот „спектар“ беше воведен во научна употреба од Њутн во 1671-1672 година за да означи разнобојна лента, слична на виножитото, која се добива кога сончев зрак поминува низ триаголна стаклена призма . [1]

Историска позадина

Историски гледано, проучувањето на оптичките спектри започна пред сите други спектри. Првиот беше Исак Њутн, кој во своето дело „Оптика“, објавено во 1704 година , ги објави резултатите од неговите експерименти за распаѓање користејќи призма на бела светлина во одделни компоненти со различни бои и прекршувања, односно ги прими сончевите спектри. зрачењето и ја објасни нивната природа, покажувајќи дека бојата е суштинско својство на светлината и не се воведува со призма, како што тврдеше Роџер Бејкон во 13 век . Всушност, Њутн ги поставил темелите на оптичката спектроскопија : во „Оптика“ ги опишал сите три методи на разложување на светлината што се користат денес - прекршување , интерференција идифракција , а неговата призма со колиматор , процеп и леќа е првиот спектроскоп.

Следната фаза дошла 100 години подоцна, кога Вилијам Воластон забележал темни линии во сончевиот спектар во 1802 година , но не придавал никаква важност на неговите набљудувања. Во 1814 година, овие линии беа независно откриени и детално опишани од Фраунхофер (сега линиите на апсорпција во сончевиот спектар се нарекуваат линии на Фраунхофер ), но не можеа да ја објаснат нивната природа. Фраунхофер опиша над 500 линии во сончевиот спектар и забележа дека позицијата на линијата D е блиску до позицијата на светло жолтата линија во спектарот на пламенот.

Во 1854 година, Кирхоф и Бунсен почнаа да ги проучуваат спектрите на пламенот обоен со пареа од метални соли, и како резултат на тоа, тие ги поставија темелите за спектрална анализа , првиот од инструменталните спектрални методи - еден од најмоќните методи на експерименталната наука.

Во 1859 година, Кирхоф објави кратка статија „За линиите на Фраунхофер“ во списанието Месечни комуникации на Берлинската академија на науките. Во него напиша:

Kirchhoff - Bunsen спектроскоп, Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), км. 110 (1860) .

Во врска со проучувањето на спектрите на обоените пламени извршени од мене заедно со Бунсен, благодарение на што стана можно да се одреди квалитативниот состав на сложените мешавини со појавата на нивните спектри во пламенот на горилникот, направив некои набљудувања што доведува до неочекуван заклучок за потеклото на линиите на Фраунхофер и овозможувајќи да се процени од нив за материјалниот состав на атмосферата на Сонцето и, можеби, и светлите фиксни ѕвезди ...

... обоените пламени, во чии спектри се забележани светли остри линии, така што ги ослабуваат зраците на истата светлина што минуваат низ нив што на местото на светлите линии се појавуваат темни линии, ако само зад пламенот има доволно извор на светлина. висок интензитет, во чиј спектар овие линии обично отсуствуваат. Понатаму заклучувам дека темните линии на сончевиот спектар, кои својот изглед не и го должат на земјината атмосфера, настануваат поради присуството во блескавата атмосфера на сонцето на такви супстанции кои во спектарот на пламенот на истото место даваат светлосни линии. Треба да се претпостави дека светлосните линии што се совпаѓаат со D во спектарот на пламенот секогаш се предизвикани од натриумот во него, затоа темните линии D на сончевиот спектар ни овозможуваат да заклучиме дека има натриум во атмосферата на Сонцето. Брустер нашол светли линии во спектарот на пламенот на шалитра на местото на линиите на Фраунхофер А, а, Б; овие линии укажуваат на присуство на калиум во сончевата атмосфера

Оптичка линија емисиониот спектар на азот

Вреди да се одбележи дека ова дело на Кирхоф неочекувано доби филозофско значење: порано, во 1842 година , основачот на позитивизмот и социологијата Огист Конт го наведе хемискиот состав на Сонцето и ѕвездите како пример за непознатото:

Ние разбираме како да ја одредиме нивната форма, растојанија до нив, нивната маса и нивните движења , но никогаш нема да можеме да дознаеме ништо за нивниот хемиски и минералошки состав.

- Огист Конт , Курс по позитивна филозофија, Книга II, Глава I (1842)

Работата на Кирхоф овозможи да се објасни природата на линиите на Фраунхофер во сончевиот спектар и да се одреди хемискиот (или, поточно, елементарниот) состав на неговата атмосфера.

Всушност, спектралната анализа отвори нова ера во развојот на науката - проучувањето на спектрите како забележливи збирови вредности на функцијата на состојбата на објектот или системот се покажа како исклучително плодна и, на крајот, доведе до појава на квантна механика : Планк дошол до идеја за квант во процесот на работа на теоријата на спектарот на апсолутно црно тело .

Во 1910 година, беа добиени првите неелектромагнетни спектри : Џеј Џеј Томсон ги доби првите масни спектри , а потоа во 1919 година Астон го изгради првиот масен спектрометар .

Од средината на 20 век, со развојот на радио инженерството, се развиле радиоспектроскопска, првенствено магнетна резонанца, методи - спектроскопија со нуклеарна магнетна резонанца ( спектроскопија NMR , која сега е еден од главните методи за утврдување и потврдување на просторната структура на органските соединенија), електронска парамагнетна резонанца (EPR), циклотрон резонанца (CR), феромагнетна (FR) и антиферомагнетна резонанца (AFR).

Друга област на спектрално истражување поврзана со развојот на радио инженерството беше обработката и анализата на првично звукот, а потоа и на произволните сигнали.

Видови на спектар

Две претстави на оптичкиот спектар : одозгора „природно“ (видливо во спектроскопот ), одоздола - како зависност на интензитетот од брановата должина. Прикажан е комбинираниот спектар на сончевото зрачење. Означени се линиите за апсорпција на серијата на водород Балмер .

Според природата на распределбата на вредностите на физичката количина, спектрите можат да бидат дискретни (линија), континуирани (цврсти), а исто така претставуваат комбинација (преклоп) на дискретни и континуирани спектри.

Примери за линиски спектри се масените спектри и спектрите на врзани електронски транзиции на атомот ; примери на континуирани спектри се спектарот на електромагнетното зрачење на загреаната цврста материја и спектарот на слободните електронски транзиции на атомот; примери за комбинирани спектри се емисионите спектри на ѕвездите , каде што линиите за апсорпција на хромосферата или поголемиот дел од звучните спектри се надредени на континуираниот спектар на фотосферата .

Друг критериум за пишување спектри се физичките процеси кои се во основата на нивното стекнување. Значи, според видот на интеракцијата назрачењето со материјата, спектрите се поделени на емисиони (спектри на зрачење), апсорпциски ( спектри на апсорпција) и спектри на расејување.

Произволни сигнални спектри: застапеност на фреквенција и време

Спектарот на нуклеарна магнетна резонанца ( 1 H) добиен со спектроскопија на Фурие NMR. Оригиналниот временски спектар (интензитет-време) е прикажан со црвено, а спектарот на фреквенција (интензитет-фреквенција) добиен со Фуриеовата трансформација е прикажан со сино.

Во 1822 година, Фурие , кој ја проучувал теоријата на ширење на топлина во цврста материја, ја објавил својата работа „Аналитичка теорија на топлина“, која одиграла значајна улога во понатамошната историја на математиката. Во оваа работа, тој опиша метод за одвојување на променливите ( Фуриеова трансформација ), заснован на претставување на функции со тригонометриски серии ( Фуриеова серија ). Фурие, исто така, се обиде да докаже дека секоја произволна функција може да се разложи во тригонометриска серија и, иако неговиот обид беше неуспешен, тој, всушност, стана основа на модерната дигитална обработка на сигналот .

Оптичките спектри, на пример, Њутн, се квантитативно опишани со функцијата на зависноста на интензитетот на зрачењето од неговата бранова должина или, еквивалентно, на фреквенцијата , односно функцијата наведено во доменот на фреквенција. Разложувањето на фреквенцијата во овој случај го врши спектроскопскиот анализатор - призма или дифракциона решетка .

Во случај на акустични или аналогни електрични сигнали, ситуацијата е поинаква: резултатот од мерењето е функција на интензитетот наспроти времето , односно оваа функција е наведена во временскиот домен. Но, како што знаете, звучниот сигнал е суперпозиција на звучни вибрации од различни фреквенции , односно, таков сигнал може да се претстави во форма на опишан „класичен“ спектар ...

Фуриевата трансформација е таа што единствено ја одредува кореспонденцијата помеѓу и и лежи во основата на Фуриеовата спектроскопија .

исто така види

Белешки (уреди)

  1. Исак Њутн. Нацрт на „Теорија за светлината и боите“ . Кон крајот на 1671 година - почетокот на 1672 година

Литература

  • Вавилов СИ Принципи и хипотези на Њутновата оптика. Собрани дела. - М .: Издавачка куќа на Академијата на науките на СССР, 1956 година .-- Т. 3.
  • Тарасов К.И.Спектрални инструменти . - Л .: Машинско инженерство, 1968 година.
  • Густав Кирхоф, Роберт Бунсен. Хемиска анализа со набљудување на спектрите / ингли. превод од Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).

Врски