Спектр (физические науки)
В физических науках термин «спектр» впервые был введен в оптику Исааком Ньютоном в 17 веке, имея в виду диапазон цветов, наблюдаемый, когда белый свет рассеивался через призму . [1] [2] Вскоре этот термин стал относиться к графику интенсивности или мощности света как функции частоты или длины волны , также известному как спектральной плотности график .
Позже это понятие расширилось и стало применяться к другим волнам , таким как звуковые волны и морские волны , которые также можно было измерить как функцию частоты (например, спектр шума , спектр морских волн ). Он также был расширен до более абстрактных « сигналов », спектр мощности которых можно анализировать и обрабатывать . Этот термин теперь применяется к любому сигналу, который можно измерить или разложить по непрерывной переменной, например энергии в электронной спектроскопии или отношению массы к заряду в масс-спектрометрии . Спектр также используется для обозначения графического представления сигнала как функции зависимой переменной.
Этимология
[ редактировать ]На латыни » , спектр означает «образ» или « видение включая значение « призрак ». Призрачные доказательства — это свидетельства о том, что сделали призраки людей, физически не присутствующих, или слухи о том, что говорили призраки или призраки сатаны . Его использовали для осуждения ряда лиц за колдовство в Салеме, штат Массачусетс, в конце 17 века. Слово «спектр» [Spektrum] строго использовалось для обозначения призрачного оптического остаточного образа Гете » в его «Теории цвета» и Шопенгауэром в «О зрении и цветах .
Приставка «спектро-» используется для образования слов, относящихся к спектрам. Например, спектрометр — это устройство, используемое для записи спектров, а спектроскопия — это использование спектрометра для химического анализа .Электромагнитный спектр
[ редактировать ]
Электромагнитный спектр относится к полному диапазону всех частот электромагнитного излучения. [3] а также характерному распределению электромагнитного излучения, излучаемого или поглощаемого этим конкретным объектом. Приборы, используемые для измерения электромагнитного спектра, называются спектрографами или спектрометрами . — Видимый спектр это часть электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом . Длина волны видимого света колеблется от 390 до 700 нм . [4] Спектр поглощения или химического элемента химического соединения — это спектр частот или длин волн падающего излучения, поглощаемого соединением вследствие переходов электронов из более низкого энергетического состояния в более высокое. Спектр излучения относится к спектру излучения, испускаемого соединением в результате переходов электронов из более высокого в более низкое энергетическое состояние.
Свет от множества разных источников содержит разные цвета, каждый из которых имеет свою яркость или интенсивность. Радуга, или призма , направляет эти составляющие цвета в разных направлениях, делая их видимыми по отдельности под разными углами. График зависимости интенсивности от частоты (показывающий яркость каждого цвета) представляет собой частотный спектр света. Когда все видимые частоты присутствуют одинаково, воспринимаемый цвет света — белый, а спектр — плоская линия. Поэтому спектры плоских линий в целом часто называют белыми , независимо от того, представляют ли они свет или другой тип волнового явления (например, звук или вибрацию в конструкции).
В радио и телекоммуникациях частотный спектр может использоваться многими различными радиовещательными компаниями. Радиоспектр соответствующая — это часть электромагнитного спектра, частотам ниже 300 ГГц, что соответствует длинам волн длиннее примерно 1 мм. Микроволновой ) до 300 ГГц спектр соответствует частотам от 300 МГц (0,3 ГГц и длинам волн от одного метра до одного миллиметра. [5] [6] Каждая вещательная радио- и телестанция передает волну в назначенном диапазоне частот, называемом каналом . Когда присутствует много радиовещательных компаний, радиоспектр состоит из суммы всех отдельных каналов, каждый из которых несет отдельную информацию, распределенную по широкому спектру частот. Любой конкретный радиоприемник обнаружит одну функцию амплитуды (напряжения) в зависимости от времени. Затем радио использует настроенную схему или тюнер для выбора одного канала или полосы частот и демодуляции или декодирования информации от этой радиовещательной компании. Если бы мы построили график зависимости мощности каждого канала от частоты тюнера, это был бы частотный спектр антенного сигнала.
В астрономической спектроскопии сила, форма и положение линий поглощения и излучения, а также общее спектральное распределение энергии континуума раскрывают многие свойства астрономических объектов. Звездная классификация — это классификация звезд на основе их характерных электромагнитных спектров. Спектральная плотность потока используется для представления спектра источника света, например звезды.
В радиометрии и колориметрии (или в науке о цвете в более общем смысле) спектральное распределение мощности (SPD) источника света является мерой мощности, вносимой каждой частотой или цветом в источнике света. Спектр света обычно измеряется в точках (часто 31) вдоль видимого спектра , в пространстве длин волн, а не в пространстве частот, что делает его не строго спектральной плотностью. Некоторые спектрофотометры могут измерять приращения от одного до двух нанометров , а также сообщалось об устройствах с более высоким разрешением и разрешением менее 0,5 нм. [7] значения используются для расчета других характеристик, а затем наносятся на график, чтобы показать спектральные атрибуты источника. Это может быть полезно при анализе цветовых характеристик конкретного источника.
Масс-спектр
[ редактировать ]
График содержания ионов как функция отношения массы к заряду называется масс-спектром. Его можно получить с помощью масс-спектрометра . [8] Масс-спектр можно использовать для определения количества и массы атомов и молекул. Тандемная масс-спектрометрия используется для определения молекулярной структуры.
Энергетический спектр
[ редактировать ]В физике энергетический спектр частицы — это количество частиц или интенсивность пучка частиц как функция энергии частиц. Примерами методов, которые создают энергетический спектр, являются спектроскопия альфа-частиц , спектроскопия потерь энергии электронов и масс-анализированная ионно-кинетическая энергетическая спектрометрия .
Смещение
[ редактировать ]Колебательные перемещения , в том числе и вибрации , можно охарактеризовать и спектрально.
- Чтобы узнать о волнах на воде , см. спектр волн и спектр приливов .
- Звуковые и неслышимые акустические волны также можно охарактеризовать с точки зрения их спектральной плотности, например, тембр и музыкальная акустика .
![Классификация спектра океанских волн по периоду волнения[9]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/Munk_ICCE_1950_Fig1.svg/400px-Munk_ICCE_1950_Fig1.svg.png)
![Спектр приливов, измеренный в форте Пуласки в 2012 году.[10] Это преобразование Фурье было вычислено с помощью SourceForge[11].](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/93/Tides_Fourier_Transform.png/240px-Tides_Fourier_Transform.png)
Спектр приливов, измеренный в форте Пуласки в 2012 году. [10] Это преобразование Фурье было вычислено с помощью SourceForge. [11]
![Классификация спектра океанских волн по периоду волнения[9]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/Munk_ICCE_1950_Fig1.svg/400px-Munk_ICCE_1950_Fig1.svg.png)
![Спектр приливов, измеренный в форте Пуласки в 2012 году.[10] Это преобразование Фурье было вычислено с помощью SourceForge[11].](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/93/Tides_Fourier_Transform.png/240px-Tides_Fourier_Transform.png)
Акустические измерения
[ редактировать ]В акустике спектрограмма — это визуальное представление частотного спектра звука как функции времени или другой переменной.
Источник звука может смешивать множество разных частот. музыкального тона Тембр . характеризуется его гармоническим спектром Звук в нашей среде, который мы называем шумом, включает в себя множество разных частот. Когда звуковой сигнал содержит смесь всех слышимых частот, равномерно распределенных по звуковому спектру, его называют белым шумом . [12]
— Анализатор спектра это инструмент, который можно использовать для преобразования звуковой волны музыкальной ноты в визуальное отображение составляющих частот. Это визуальное отображение называется акустической спектрограммой . Программные анализаторы спектра звука доступны по низкой цене, что обеспечивает легкий доступ не только профессионалам отрасли, но также ученым, студентам и любителям . Акустическая спектрограмма, создаваемая анализатором спектра, обеспечивает акустическую подпись музыкальной ноты. Помимо выявления основной частоты и ее обертонов, спектрограмма также полезна для анализа временной атаки , затухания , сустейна и освобождения музыкальной ноты.
Приблизительные диапазоны частот, соответствующие ультразвуку, с приблизительными указаниями для некоторых приложений.
Акустическая спектрограмма слов «О, нет!» произнесла молодая девушка, показывая, как дискретный спектр звука (ярко-оранжевые линии) меняется со временем (горизонтальная ось)
Спектрограмма вокализаций дельфинов
Непрерывные и дискретные спектры
[ редактировать ]
В физических науках спектр физической величины (например, энергии ) можно назвать непрерывным , если он отличен от нуля во всей области спектра (например, частоты или длины волны ), или дискретным, если он достигает ненулевых значений только в дискретный набор по независимой переменной с запрещенными зонами между парами спектральных полос или спектральных линий . [13]
Классическим примером непрерывного спектра, от которого и произошло название, является часть спектра света , излучаемого , возникающая в возбужденными атомами водорода результате связывания свободных электронов с ионом водорода и испускания фотонов, которые плавно распространяются. в широком диапазоне длин волн, в отличие от дискретных линий , возникающих из-за падения электронов из некоторого связанного квантового состояния в состояние с более низкой энергией. Как и в том классическом примере, термин чаще всего используется, когда диапазон значений физической величины может иметь как непрерывную, так и дискретную часть, как одновременно, так и в разных ситуациях. В квантовых системах непрерывные спектры (как в тормозном и тепловом излучении ) обычно связаны со свободными частицами, например, атомами в газе, электронами в электронном пучке или электронами зоны проводимости в металле . В частности, положение и импульс свободной частицы имеют непрерывный спектр, но когда частица заключена в ограниченное пространство, ее спектр становится дискретным.
Часто непрерывный спектр может быть просто удобной моделью дискретного спектра, значения которого слишком близки, чтобы их можно было различить, как в случае фононов в кристалле .
Непрерывные и дискретные спектры физических систем можно моделировать в функциональном анализе как различные части разложения спектра линейного оператора, действующего на функциональное пространство , такого как оператор Гамильтона .
Классическим примером дискретного спектра (для которого этот термин был впервые использован) является характерный набор дискретных спектральных линий, наблюдаемых в спектре излучения и спектре поглощения изолированных атомов , химического элемента которые поглощают и излучают свет только на определенных длинах волн . техника спектроскопии На этом явлении основана .
Дискретные спектры наблюдаются во многих других явлениях, таких как вибрирующие струны , микроволны в металлической полости , звуковые волны в пульсирующей звезде и резонансы высоких энергий в физике частиц . Общее явление дискретных спектров в физических системах можно математически смоделировать с помощью инструментов функционального анализа , в частности, путем разложения спектра действующего линейного оператора, в функциональном пространстве .
В классической механике
[ редактировать ]В классической механике дискретные спектры часто связаны с волнами и колебаниями в ограниченном объекте или области. Математически их можно отождествить с значениями собственными дифференциальных операторов , которые описывают эволюцию некоторой непрерывной переменной (например, деформации или давления ) как функции времени и/или пространства.
Дискретные спектры также создаются некоторыми нелинейными генераторами , где соответствующая величина имеет несинусоидальную форму волны . Яркими примерами являются звуки, издаваемые голосовыми связками млекопитающих. [14] [15] : стр.684 и стридуляционные органы сверчков , [16] спектр которого показывает серию сильных линий на частотах, кратных ( гармониках ) частоты колебаний .
Связанное с этим явление — появление сильных гармоник, когда синусоидальный сигнал (который имеет окончательный «дискретный спектр», состоящий из одной спектральной линии) модифицируется нелинейным фильтром ; например, когда чистый тон воспроизводится через перегруженный усилитель , [17] или когда интенсивный монохроматический лазерный луч проходит через нелинейную среду . [18] В последнем случае, если два произвольных синусоидальных сигнала с частотами f и g обрабатываются вместе, выходной сигнал обычно будет иметь спектральные линии на частотах | mf + ng |, где m и n — любые целые числа.
В квантовой механике
[ редактировать ]В квантовой механике дискретный спектр наблюдаемой относится к чисто точечному спектру собственных значений оператора , используемого для моделирования этой наблюдаемой. [19] [20]
Дискретные спектры обычно связаны с системами, которые в некотором смысле связаны (математически ограничены компактным пространством ). [ нужна ссылка ] Операторы положения имеют непрерывный спектр в бесконечной области, но дискретный (квантованный ) и импульса спектр в компактной области и те же свойства спектров справедливы для углового момента , гамильтонианов и других операторов квантовых систем.
Квантовый гармонический осциллятор и атом водорода являются примерами физических систем, в которых гамильтониан имеет дискретный спектр. В случае атома водорода спектр имеет как непрерывную, так и дискретную часть, причем непрерывная часть представляет собой ионизацию .
Дискретная часть спектра излучения водорода
Спектр солнечного света над атмосферой (желтый) и на уровне моря (красный), демонстрирующий спектр поглощения с дискретной частью (например, линией, обусловленной O
2 ) и сплошную часть (например, полосы с маркировкой H
2О )
Спектр света, излучаемого дейтериевой лампой, показывает дискретную часть (высокие острые пики) и непрерывную часть (плавно меняющуюся между пиками). Меньшие пики и впадины могут быть связаны с ошибками измерений, а не с дискретными спектральными линиями.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^
OpenStax Astronomy, «Спектроскопия в астрономии». OpenStax CNX. 29 сентября 2016 г. «ОпенСтакс CNX» . Архивировано из оригинала 17 февраля 2017 года . Проверено 17 февраля 2017 г. - ^ Ньютон, Исаак (1671). «Письмо г-на Исаака Ньютона… содержащее его новую теорию о свете и цветах…» . Философские труды Лондонского королевского общества . 6 (80): 3075–3087. Бибкод : 1671RSPT....6.3075N . дои : 10.1098/rstl.1671.0072 . Слово «спектр», обозначающее полосу цветов, возникшую в результате преломления или дифракции луча света, впервые появляется на стр. 3076.
- ^ «Электромагнитный спектр» . Представьте себе Вселенную! Словарь . НАСА. Архивировано из оригинала 24 мая 2015 года . Проверено 3 июня 2015 г.
- ^ Старр, Сеси (2005). Биология: концепции и приложения . Томсон Брукс/Коул. п. 94 . ISBN 0-534-46226-Х .
- ^ Позар, Дэвид М. (1993). Микроволновая техника Издательство Addison-Wesley. ISBN 0-201-50418-9 .
- ^ Соррентино, Р. и Бьянки, Джованни (2010) Микроволновая и радиочастотная техника. Архивировано 5 августа 2016 г., в Wayback Machine , John Wiley & Sons, стр. 4, ISBN 047066021X .
- ^ Нуи, Луахаб; Хилл, Джонатан; Кей, Питер Дж; Ван, Роберт Ю; Смит, Тревор; Юнг, Кен; Хабиб, Джордж; Хоар, Майк (1 февраля 2002 г.). «Разработка УФ-спектрофотометра высокого разрешения для оперативного мониторинга биопроцессов» . Химическая инженерия и переработка: интенсификация процессов . 41 (2): 107–114. дои : 10.1016/S0255-2701(01)00122-2 . ISSN 0255-2701 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Масс-спектр ». дои : 10.1351/goldbook.M03749
- ^ Мунк, Уолтер Х. (2010). «Происхождение и порождение волн». Труды по береговой инженерии . 1 : 1. дои : 10.9753/icce.v1.1 .
- ^ «Датумы - Приливы и течения NOAA» . tidesandcurrents.noaa.gov . Декабрь 2013 г. Архивировано из оригинала 06 декабря 2022 г. Проверено 22 марта 2023 г.
- ^ «Более точное преобразование Фурье» . СоурсФордж . Проверено 22 марта 2023 г.
- ^ «определение белого шума» . yourdictionary.com . Архивировано из оригинала 30 июня 2015 года.
- ^ «Непрерывный спектр — klinics.lib.kmutt.ac.th» . КМУТТ: Генеральный научный сотрудник Таиланда . 2 (1): 22. Архивировано из оригинала (PDF) 20 августа 2022 г. - через KMUTT .
В физике непрерывный спектр обычно означает набор достижимых значений некоторой физической величины (например, энергии или длины волны), которую лучше всего описать как интервал действительных чисел. Это противоположность дискретному спектру, набору достижимых значений, дискретных в математическом смысле, где между каждым значением существует положительный разрыв.
[ мертвая ссылка ] - ^ Ханну Пулакка (2005), Анализ человеческого голоса с использованием обратной фильтрации, высокоскоростной визуализации и электроглоттографии . Магистерская диссертация, Хельсинкский технологический университет.
- ^ Линдблом, Бьёрн; Сундберг, Йохан (2007). «Человеческий голос в речи и пении». Справочник Спрингера по акустике . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York. стр. 669–712. дои : 10.1007/978-0-387-30425-0_16 . ISBN 978-0-387-30446-5 .
- ^ Попов А.В.; Шувалов В.Ф.; Маркович, А.М. (1976). «Спектр призывных сигналов, фонотаксис и слуховая система сверчка Gryllus bimaculatus». Неврология и поведенческая физиология . 7 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 56–62. дои : 10.1007/bf01148749 . ISSN 0097-0549 . ПМИД 1028002 . S2CID 25407842 .
- ^ Пол В. Клипш (1969), Модуляционные искажения в громкоговорителях. Архивировано 4 марта 2016 г. в журнале Wayback Machine Journal Общества аудиоинженеров.
- ^ Армстронг, Дж.А.; Блюмберген, Н.; Дукюинг, Дж.; Першан, П.С. (15 сентября 1962 г.). «Взаимодействие световых волн в нелинейном диэлектрике» . Физический обзор . 127 (6). Американское физическое общество (APS): 1918–1939. Бибкод : 1962PhRv..127.1918A . дои : 10.1103/physrev.127.1918 . ISSN 0031-899X .
- ^ Саймон, Б. (1978). «Обзор строгой теории рассеяния». п. 3. S2CID 16913591 .
{{cite web}}: Отсутствует или пусто|url=( помощь ) - ^ Тешль, Г. (2009). «5.2 Теорема RAGE». Математические методы в квантовой механике (PDF) . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. ISBN 978-0-8218-4660-5 .
