Спектр

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Spectrum.svg

Спектр ( лат. spectrum "видіння") у фізиці - розподіл значень фізичної величини (зазвичай енергії , частоти або маси ). Зазвичай під спектром мається на увазі електромагнітний спектр - розподіл інтенсивності електромагнітного випромінювання за частотами або довжинами хвиль.

У науковий ужиток термін «спектр» запровадив Ньютон у 1671—1672 роках для позначення багатобарвної смуги, схожої на веселку, яка виходить під час проходження сонячного променя через трикутну скляну призму . [1]

Історичні відомості

Історично раніше за всіх інших спектрів було розпочато дослідження оптичних спектрів. Першим був Ісаак Ньютон, який у своїй праці «Оптика», що вийшов у 1704 році , опублікував результати своїх дослідів розкладання за допомогою призми білого світла на окремі компоненти різної кольоровості та заломлюваності, тобто отримав спектри сонячного випромінювання, і пояснив їхню природу, показавши, що колір є власною властивістю світла , а не вноситься призмою, як стверджував Роджер Бекон у XIII столітті . Фактично, Ньютон заклав основи оптичної спектроскопії : в «Оптиці» він описав усі три методи розкладання світла, що використовуються донині — заломлення , інтерференцію і дифракцію , а його призма з коліматором , щілиною і лінзою була першим спектроскопом.

Наступний етап настав через 100 років, коли Вільям Волластон в 1802 спостерігав темні лінії в сонячному спектрі, але не надав своїм спостереженням значення. У 1814 році ці лінії незалежно виявив і докладно описав Фраунгофер (зараз лінії поглинання в сонячному спектрі називаються лініями Фраунгофера ), але не зміг пояснити їхню природу. Фраунгофер описав понад 500 ліній у сонячному спектрі та зазначив, що положення лінії D близько до положення яскравої жовтої лінії у спектрі полум'я.

У 1854 році Кірхгоф і Бунзен почали вивчати спектри полум'я, забарвленого парами металевих солей, і в результаті ними були закладені основи спектрального аналізу першого з інструментальних спектральних методів - одних з найпотужніших методів експериментальної науки.

У 1859 Кірхгоф опублікував у журналі «Щомісячні повідомлення Берлінської академії наук» невелику статтю «Про фраунгоферових лініях». У ній він писав:

Спектроскоп Кірхгофа - Бунзена , Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860) .

У зв'язку з виконаним мною спільно з Бунзеном дослідженням спектрів пофарбованих полум'я, завдяки якому стало можливим визначити якісний склад складних сумішей на вигляд їх спектрів в полум'ї паяльної лампи, я зробив деякі спостереження, що призводять до несподіваного висновку про походження фраунгоферових ліній і дозволяють судити речовому складі атмосфери Сонця і, можливо, також яскравих нерухомих зірок.

…забарвлені полум'я, в спектрах яких спостерігаються світлі різкі лінії, так послаблюють промені того ж світла, що проходять через них, що на місці світлих ліній з'являються темні, якщо тільки за полум'ям знаходиться джерело світла досить великої інтенсивності, в спектрі якого ці лінії зазвичай відсутні. Я далі укладаю, що темні лінії сонячного спектру, не зобов'язані своєю появою земній атмосфері, виникають через присутність у розжареній атмосфері Сонця таких речовин, які у спектрі полум'я на тому самому місці дають світлі лінії. Слід прийняти, що збігаються з D світлі лінії в спектрі полум'я завжди викликаються натрієм, що знаходиться в ньому, тому темні лінії D сонячного спектру дозволяють укласти, що в атмосфері Сонця є натрій. Брюстер знайшов у спектрі полум'я селітри світлі лінії на місці фраунгоферових ліній А, а, В; ці лінії вказують на наявність калію в сонячній атмосфері

Оптичний лінійний емісійний спектр азоту

Примітно, що ця робота Кірхгофа несподівано набула і філософського значення: раніше, в 1842 році , основоположник позитивізму та соціології Огюст Конт як приклад непізнаваного навів саме хімічний склад Сонця та зірок .

Ми розуміємо, як визначити їх форму, відстані до них, їх масу та їх рухи , але ми ніколи не зможемо нічого дізнатися про їх хімічний та мінералогічний склад

- Огюст Конт , "Курс позитивної філософії", Книга II, Глава I (1842)

Робота Кірхгофа дозволила пояснити природу фраунгоферових ліній у спектрі Сонця та визначити хімічний (або, точніше, елементний) склад його атмосфери.

Фактично, спектральний аналіз відкрив нову епоху в розвитку науки — дослідження спектрів як наборів значень функції стану об'єкта або системи, що спостерігаються, виявилося надзвичайно плідним і, зрештою, призвело до появи квантової механіки . Планк прийшов до ідеї кванта в процесі роботи над теорією спектра абсолютно чорного. тіла .

В 1910 були отримані перші неелектромагнітні спектри : Дж. Дж. Томсон отримав перші мас-спектри , а потім в 1919 Астон побудував перший мас-спектрометр .

З середини XX століття, з розвитком радіотехніки, набули розвитку радіоспектроскопічні, насамперед магніто-резонансні методи — спектроскопії ядерного магнітного резонансу ( ЯМР- спектроскопія, що є зараз одним з основних методів встановлення та підтвердження просторової структури органічних сполук), електронного парамагнітного резонансу. ), циклотронного резонансу (ЦР), феромагнітного (ФР) та антиферомагнітного резонансу (АФР).

Іншим напрямом спектральних досліджень, пов'язаним з розвитком радіотехніки, стала обробка та аналіз спочатку звукових, а потім і будь-яких довільних сигналів.

Типи спектрів

Два уявлення оптичного спектра : зверху «природне» (видиме в спектроскопі ), знизу — залежність інтенсивності від довжини хвилі. Показано комбінований спектр випромінювання сонця . Відзначено лінії поглинання бальмерівської серії водню.

За характером розподілу значень фізичної величини спектри можуть бути дискретними (лінійчастими), безперервними (суцільними), а також представляти комбінацію (накладення) дискретних та безперервних спектрів.

Прикладами лінійних спектрів можуть служити мас-спектри та спектри зв'язано-пов'язаних електронних переходів атома ; прикладами безперервних спектрів - спектр електромагнітного випромінювання нагрітого твердого тіла та спектр вільно-вільних електронних переходів атома; прикладами комбінованих спектрів - спектри випромінювання зірок , де суцільний спектр фотосфери накладаються хромосферні лінії поглинання чи більшість звукових спектрів.

Іншим критерієм типізації спектрів є фізичні процеси, що лежать в основі їх отримання. Так, за типом взаємодії випромінювання з матерією, спектри діляться на емісійні (спектри випромінювання), абсорбційні ( спектри поглинання ) та спектри розсіювання.

Спектри довільних сигналів: частотне та тимчасове подання

Спектр ядерного магнітного резонансу (1 H), отриманий методом Фур'є-спектроскопії ЯМР. Червоним показаний вихідний часовий спектр (інтенсивність-час), синім - частотний (інтенсивність-частота), отриманий Фур'є-перетворенням .

У 1822 році Фур'є , який займався теорією поширення тепла в твердому тілі, опублікував роботу «Аналітична теорія тепла», яка відіграла значну роль у подальшій історії математики. У цій роботі він описав метод поділу змінних ( перетворення Фур'є ), заснований на поданні функцій тригонометричними рядами ( ряди Фур'є ). Фур'є також зробив спробу довести можливість розкладання в тригонометричний ряд будь-якої довільної функції, і, хоча його спроба виявилася невдалою, вона фактично стала основою сучасної цифрової обробки сигналів .

Оптичні спектри, наприклад, Ньютонівський, кількісно описуються функцією залежності інтенсивності випромінювання від його довжини хвилі або, що еквівалентно, від частоти , тобто функція задана на частотній ділянці (frequency domain). Частотне розкладання у разі виконується аналізатором спектроскопа — призмою чи дифракційною решіткою .

У разі акустики чи аналогових електричних сигналів ситуація інша: результатом виміру є функція залежності інтенсивності від часу , тобто ця функція задана на часовій області (time domain). Але, як відомо, звуковий сигнал є суперпозицією звукових коливань різних частот , тобто такий сигнал можна уявити і у вигляді «класичного» спектра, що описується .

Саме перетворення Фур'є однозначно визначає відповідність між і і лежить в основі Фур'є-спектроскопії .

Див. також

Примітки

  1. Isaac Newton. Draft of "Theory Concerning Light and Colors" . Кінець 1671 - початок 1672 років

Література

  • Вавілов С. І. Принципи та гіпотези оптики Ньютона. Збірка творів. - М .: Вид-во АН СРСР, 1956. - Т. 3.
  • Тарасов К. І. Спектральні прилади . - Л .: Машинобудування, 1968.
  • Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Chemical Analysis by Observation of Spectra / Engl. translation from Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).

Посилання