Spektar

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 – raspodjela intenziteta elektromagnetskog zračenja po frekvenciji ili valnoj duljini.

Termin "spektar" je u znanstvenu upotrebu uveo Newton 1671.-1672. za označavanje raznobojne trake, slične dugi, koja se dobiva kada sunčeva zraka prolazi kroz trokutastu staklenu prizmu . [1]

Povijesna pozadina

Povijesno gledano, proučavanje optičkih spektra počelo je prije svih ostalih spektra. Prvi je bio Isaac Newton, koji je u svom djelu "Optika", objavljenom 1704. godine , objavio rezultate svojih eksperimenata razgradnje pomoću prizme bijele svjetlosti na zasebne komponente različitih boja i loma, odnosno dobio je spektre Sunca. zračenja, i objasnio njihovu prirodu, pokazujući da je boja intrinzično svojstvo svjetlosti i da nije uvedena prizmom, kao što je Roger Bacon tvrdio u 13. stoljeću . Zapravo, Newton je postavio temelje optičke spektroskopije : u "Optici" je opisao sve tri metode razgradnje svjetlosti koje se danas koriste - lom , interferenciju i difrakciju , a njegova prizma s kolimatorom , prorezom i lećom bila je prvi spektroskop.

Sljedeća faza došla je 100 godina kasnije, kada je William Wollaston 1802. promatrao tamne linije u sunčevom spektru, ali nije pridavao nikakvu važnost svojim opažanjima. Godine 1814. Fraunhofer je nezavisno otkrio i detaljno opisao ove linije (sada se apsorpcijske 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 počeli su proučavati spektre plamena obojenih parama metalnih soli i kao rezultat toga postavili su temelje za spektralnu analizu , prvu od instrumentalnih spektralnih metoda - jednu od najmoćnijih metoda eksperimentalne znanosti.

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

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

U vezi s 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 podrijetlu Fraunhoferovih linija i omogućuje iz njih suditi o materijalnom sastavu atmosfere Sunca i, moguće, i sjajnih fiksnih zvijezda...

... obojeni plamenovi, u čijim se spektrima uočavaju svijetle oštre linije, tako slabe zrake iste svjetlosti koje prolaze kroz njih da se tamne linije pojavljuju na mjestu svjetlosnih linija, 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 prisutnosti u užarenoj atmosferi Sunca takvih tvari koje u spektru plamena na istom mjestu daju svjetlosne linije. Treba pretpostaviti da su svjetlosne linije koje se podudaraju s D u spektru plamena uvijek uzrokovane natrijem u njemu, stoga nam tamne D linije sunčevog spektra dopuštaju da zaključimo da u atmosferi Sunca postoji natrij. Brewster je pronašao svjetlosne linije u spektru plamena salitre na mjestu Fraunhoferovih linija A, a, B; ove linije ukazuju na prisutnost kalija u sunčevoj atmosferi

Optički linijski emisioni spektar dušika

Važno je napomenuti da je ovo Kirchhoffovo djelo neočekivano dobilo filozofsko značenje: ranije, 1842. , utemeljitelj pozitivizma i sociologije Auguste Comte naveo je kemijski sastav Sunca i zvijezda kao primjer nespoznatljivog:

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 omogućio je objašnjenje prirode Fraunhoferovih linija u sunčevom spektru i određivanje kemijskog (ili, točnije, elementarnog) sastava njegove atmosfere.

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

Godine 1910. dobiveni 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 magnetske rezonancije - spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije ( NMR spektroskopija , koja je danas jedna od glavnih metoda za utvrđivanje i potvrđivanje prostorne strukture organskih tvari). spojeva), elektronska paramagnetska rezonancija (EPR), ciklotronska rezonancija (CR), feromagnetska (FR) i antiferomagnetska rezonancija (AFR).

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

Vrste spektra

Dva prikaza optičkog spektra : odozgo "prirodno" (vidljivo u spektroskopu ), odozdo - kao ovisnost intenziteta o valnoj duljini. Prikazan je kombinirani spektar sunčevog zračenja. Označene su apsorpcijske linije Balmerove serije vodika.

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 elektromagnetskog zračenja zagrijane krutine i spektar slobodnih elektronskih prijelaza atoma; primjeri kombiniranih spektra su spektri emisije zvijezda , gdje su kromosferske apsorpcijske linije ili većina zvučnih spektra superponirani na kontinuirani spektar fotosfere .

Drugi kriterij za tipizaciju spektra su fizikalni procesi na kojima se temelji njihovo stjecanje. Dakle, prema vrsti interakcije zračenja s materijom, spektri se dijele na emisijske (spektre zračenja), apsorpcijske (apsorpcijski spektri ) i spektre raspršenja.

Proizvoljni spektri signala: frekvencijski i vremenski prikaz

Spektar nuklearne magnetske rezonancije ( 1 H) dobiven Fourierovom NMR spektroskopijom. Izvorni vremenski spektar (intenzitet-vrijeme) prikazan je crvenom bojom, a frekvencijski spektar (intenzitet-frekvencija) dobiven Fourierovom transformacijom prikazan je plavom bojom.

Godine 1822. Fourier , koji je proučavao teoriju širenja topline u čvrstom tijelu, objavio je svoje djelo "Analitička teorija topline", koje je odigralo značajnu ulogu u kasnijoj povijesti matematike. U ovom radu opisao je metodu odvajanja varijabli ( Fourierova transformacija ), temeljenu na prikazu funkcija trigonometrijskim redovima ( Fourierov red). Fourier je također pokušao dokazati da se svaka proizvoljna funkcija može rastaviti u trigonometrijski niz, i, iako je njegov pokušaj bio neuspješan, zapravo je postao temelj moderne digitalne obrade signala .

Optički spektri, na primjer, Newtonov, kvantitativno su opisani funkcijom ovisnosti intenziteta zračenja o njegovoj valnoj duljini ili, ekvivalentno, na frekvenciji , odnosno funkcija navedeno u frekvencijskoj domeni. Frekvencijsku dekompoziciju u ovom slučaju vrši spektroskopski analizator - prizma ili difrakcijska rešetka .

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

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

vidi također

Bilješke (uredi)

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

Književnost

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

Linkovi