Spektri

Spektri ( lat.  spektri "näkemys") fysiikassa on taajuuden , aallonpituuden tai harvemmin muun fyysisen suuren (esimerkiksi energian , hiukkasmassan ) skalaarifunktio , joka määrittää arvojen "suhteellisen esityksen" tästä suuresta tutkittavassa kohteessa: kompleksinen signaali, monikomponenttimedia jne. Normalisointiin asti se osuu yhteen vastaavan suuren tiheys- tai jakautumissarjan kanssa.

Yleensä spektrillä tarkoitetaan sähkömagneettista (tai akustista ) spektriä, joka määrittää sähkömagneettisen säteilyn (tai elastisen värähtelyn ) taajuuksien/aallonpituuksien jakautumisen . Spektrin muoto osoittaa, kuinka paljon sinistä, vihreää ja muita värejä (tai ultraääni-, ääni- ja muita aaltoja) on signaalissa. Tällaisen spektrin ulottuvuus on tilavuusenergiatiheyden tai pintatehotiheyden mitta jaettuna argumentin dimensiolla: jos tämä on taajuus, se on (J / m 3 ) / Hz tai (W / m 2 ) / Hz, ja jos aallonpituus, niin (J / m 3 )/m tai (W/m2 ) /m. Usein ilmaistuna suhteellisina dimensioina yksiköinä.

Joskus spektriä ei ymmärretä jakaumana kokonaisuutena, vaan yksinkertaisesti tietyssä järjestelmässä mahdollisten taajuuksien, aallonpituuksien, energioiden ja massojen joukkona tai alueena määrittelemättä niiden toteutumisen todennäköisyyttä (puhutaan esimerkiksi energiasta hiukkasen spektri kvanttikuivossa).

Termin "spektri" otti tieteelliseen käyttöön Isaac Newton vuosina 1671-1672 tarkoittamaan sateenkaaren kaltaista moniväristä nauhaa, joka johtuu auringonsäteen kulkemisesta kolmiomaisen lasiprisman läpi [ 1] . Noina vuosina se oli vain fiksaatio eripituisten sähkömagneettisten aaltojen läsnäolosta auringon säteilyssä, mutta myöhemmin saatiin myös jakaumia aallonpituuksille .

Spektrityypit

Fyysisen suuren arvojen jakauman luonteen mukaan spektrit voivat olla diskreettejä (lineaarisia), jatkuvia (jatkuvia) ja edustaa myös diskreettien ja jatkuvien spektrien yhdistelmää (superpositio).

Esimerkkejä viivaspektreistä ovat massaspektrit ja atomin sidottujen elektronisten siirtymien spektrit ; esimerkkejä jatkuvista spektreistä ovat kuumennetun kiinteän aineen sähkömagneettisen säteilyn spektri ja atomin vapaiden elektronisten siirtymien spektri; esimerkkejä yhdistetyistä spektreistä ovat tähtien emissiospektrit , joissa kromosfäärin absorptioviivat tai suurin osa äänispektreistä on päällekkäin fotosfäärin jatkuvan spektrin päällä .

Toinen spektrien tyyppiä koskeva kriteeri on niiden tuotannon taustalla olevat fysikaaliset prosessit. Joten säteilyn ja aineen vuorovaikutuksen tyypin mukaan spektrit jaetaan emissio- (säteilyspektrit), absorptio- (absorptiospektrit ) ja sirontaspektreihin.

Mielivaltaisten signaalien spektrit

Vuonna 1822 Fourier , joka harjoitti teoriaa lämmön leviämisestä kiinteässä tilassa, julkaisi teoksen "Analyyttinen lämmön teoria", jolla oli merkittävä rooli myöhemmässä matematiikan historiassa. Tässä työssä hän kuvaili muuttujien erottelumenetelmää ( Fourier-muunnos ), joka perustuu funktioiden esittämiseen trigonometrisilla sarjoilla ( Fourier-sarja ). Fourier yritti myös todistaa, että mikä tahansa mielivaltainen funktio voitaisiin laajentaa trigonometriseksi sarjaksi, ja vaikka hänen yrityksensä epäonnistui, siitä tuli itse asiassa nykyaikaisen digitaalisen signaalinkäsittelyn perusta .

Optiset spektrit, esimerkiksi Newtonin spektrit, kuvataan kvantitatiivisesti säteilyn intensiteetin riippuvuuden funktiolla sen aallonpituudesta tai vastaavasti taajuudesta , eli funktio asetetaan taajuusalueelle. Taajuushajotus suoritetaan tässä tapauksessa spektroskooppianalysaattorilla - prismalla tai diffraktiohilalla .

Akustisten tai analogisten sähköisten signaalien tapauksessa tilanne on toinen: mittauksen tulos on intensiteetin riippuvuuden funktio ajasta eli tämä funktio asetetaan aika-alueelle (aika-alueelle). Mutta kuten tiedätte, äänisignaali on eri taajuuksien äänivärähtelyjen superpositio , eli tällainen signaali voidaan esittää myös "klassisena" spektrinä, jota kuvaa .

Fourier-muunnos määrittää yksilöllisesti ajan ja taajuuden välisen vastaavuuden ja on Fourier-spektroskopian taustalla .

Historiallista tietoa

Historiallisesti, ennen kaikkia muita spektrejä, optisten spektrien tutkimus aloitettiin. Ensimmäinen oli Isaac Newton, joka julkaisi vuonna 1704 julkaistussa teoksessaan "Optics" tulokset kokeistaan, jotka koskivat valkoisen valon hajottamista erillisiksi erivärisiksi ja taitetuiksi komponenteiksi prisman avulla, eli hän sai auringon säteilyn spektrit. , ja selittivät niiden luonteen osoittaen, että väri on valon luontainen ominaisuus , eikä sitä johda prisma, kuten Roger Bacon väitti 1300 -luvulla . Itse asiassa Newton loi perustan optiselle spektroskopialle : "Optiikassa" hän kuvaili kaikkia kolmea edelleen käytössä olevaa valon hajottelumenetelmää - taittumista , interferenssiä ja diffraktiota , ja hänen prismansa kollimaattorilla , raolla ja linssillä oli ensimmäinen spektroskooppi.

Seuraava vaihe tuli 100 vuotta myöhemmin, kun William Wollaston vuonna 1802 havaitsi tummia viivoja aurinkospektrissä, mutta ei kiinnittänyt havaintoihinsa mitään merkitystä. Vuonna 1814 Fraunhofer löysi nämä viivat itsenäisesti ja kuvasi ne yksityiskohtaisesti (nykyisin auringon spektrin absorptioviivoja kutsutaan Fraunhofer-viivoiksi ), mutta he eivät pystyneet selittämään niiden luonnetta. Fraunhofer kuvasi yli 500 viivaa aurinkospektrissä ja totesi, että D-viivan sijainti on lähellä kirkkaan keltaisen viivan sijaintia liekkispektrissä.

Vuonna 1854 Kirchhoff ja Bunsen alkoivat tutkia metallisuolahöyryjen värjäämän liekin spektrejä, ja sen seurauksena he loivat perustan spektrianalyysille , ensimmäiselle instrumentaaliselle spektrimenetelmälle, joka on yksi kokeellisen tieteen tehokkaimmista menetelmistä. .

Vuonna 1859 Kirchhoff julkaisi lyhyen artikkelin "On Fraunhofer Lines" Berliinin tiedeakatemian lehdessä Monthly Communications.

ote Kirchhoffin teoksesta

Yhdessä Bunsenin kanssa tekemäni värillisten liekkien spektrien tutkimuksen yhteydessä, joka mahdollisti monimutkaisten seosten laadullisen koostumuksen määrittämisen niiden spektrien esiintymisestä puhallusliekissä, tein joitain havaintoja, jotka johtivat odottamaton päätelmä Fraunhofer-linjojen alkuperästä ja mahdollistaa niiden perusteella päätellä Auringon ilmakehän materiaalikoostumuksesta ja mahdollisesti myös kirkkaista kiintotähtistä ...

... värilliset liekit, joiden spektrissä havaitaan valoisia teräviä viivoja, heikentävät niiden läpi kulkevia saman valon säteitä niin, että vaaleiden viivojen tilalle ilmestyy tummia viivoja, jos vain liekin takana on riittävästi valonlähde korkea intensiteetti, jonka spektristä nämä viivat yleensä puuttuvat. Edelleen päättelen, että aurinkospektrin tummat viivat, jotka eivät ole syntyneet maan ilmakehään, johtuvat siitä, että auringon hehkuvassa ilmakehässä on sellaisia ​​aineita, jotka liekin spektrissä samassa paikassa antavat kevyet linjat. On oletettava, että liekkispektrin vaaleat viivat, jotka osuvat yhteen D:n kanssa, johtuvat aina siinä olevasta natriumista, joten aurinkospektrin tummat D-viivat antavat mahdollisuuden päätellä, että auringon ilmakehässä on natriumia. Brewster löysi kevyitä viivoja salpetterin liekin spektristä Fraunhoferin linjojen A, a, B tilasta; nämä viivat osoittavat kaliumin esiintymistä auringon ilmakehässä

On huomionarvoista, että tämä Kirchhoffin teos sai yllättäen filosofisen merkityksen: aiemmin, vuonna 1842 , positivismin ja sosiologian perustaja Auguste Comte mainitsi nimenomaan auringon ja tähtien kemiallisen koostumuksen esimerkkinä tuntemattomasta :

Ymmärrämme kuinka määrittää niiden muoto, etäisyydet, massa ja liikkeet , mutta emme voi koskaan tietää mitään niiden kemiallisesta ja mineralogisesta koostumuksesta.

— Auguste Comte , Positiivisen filosofian kurssi, II kirja, luku I (1842)

Kirchhoffin työ teki mahdolliseksi selittää Auringon spektrin Fraunhofer-linjojen luonnetta ja määrittää sen ilmakehän kemiallisen (tai tarkemmin sanoen alkuainekoostumuksen).

Itse asiassa spektrianalyysi avasi uuden aikakauden tieteen kehityksessä - spektrien tutkiminen objektin tai järjestelmän tilafunktion havaittavissa olevina arvokokonaisuuksina osoittautui erittäin hedelmälliseksi ja johti viime kädessä kvanttimekaniikka : Planck sai idean kvantista työskennellessään täysin mustan kappaleen spektrin teorian parissa .

Vuonna 1910 otettiin ensimmäiset ei-sähkömagneettiset spektrit : J. J. Thomson sai ensimmäiset massaspektrit , ja sitten vuonna 1919 Aston rakensi ensimmäisen massaspektrometrin .

1900-luvun puolivälistä lähtien radiotekniikan kehittyessä on kehitetty radiospektroskooppisia, ensisijaisesti magneettiresonanssimenetelmiä - ydinmagneettiresonanssispektroskopiaa ( NMR-spektroskopia , joka on nykyään yksi tärkeimmistä menetelmistä radiotekniikan avaruusrakenteen määrittämiseksi ja vahvistamiseksi orgaaniset yhdisteet), elektroniparamagneettinen resonanssi (EPR), syklotroniresonanssi (CR), ferromagneettinen (FR) ja antiferromagneettinen resonanssi (APR).

Toinen radiotekniikan kehitykseen liittyvä spektritutkimuksen suunta oli aluksi äänen ja sitten mielivaltaisten signaalien käsittely ja analysointi.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Isaac Newton. Luonnos "A Theory Concerning Light and Colors" -teoriasta Arkistoitu 8. maaliskuuta 2012 Wayback Machinessa . Loppuvuodesta 1671 - alkuvuodesta 1672

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa