Спектр ( лат. spectrum «виде́ние») в физике — скалярная функция частоты ${\displaystyle \nu }$ , длины волны ${\displaystyle \lambda }$ или, реже, другой физической величины (например, энергии , массы частиц ), определяющая «относительную представленность» значений данной величины в изучаемом объекте: сложном сигнале, многокомпонентной среде и пр.. С точностью до нормировки совпадает с плотностью или рядом распределения соответствующей величины.

Обычно под спектром подразумевается электромагнитный (или акустический ) спектр, задающий распределение частот / длин волн электромагнитного излучения (или упругих колебаний ). Форма спектра показывает, в какой мере в сигнале представлены синие, зеленые и другие цвета (или ультразвуковые, слышимые и другие волны). Размерность такого спектра есть размерность объёмной плотности энергии или поверхностной плотности мощности, делённая на размерность аргумента: если это частота то будет (Дж/м ³ )/Гц или (Вт/м ² )/Гц, а если длина волны то (Дж/м ³ )/м или (Вт/м ² )/м. Нередко приводится в относительных безразмерных единицах.

Иногда под спектром понимают не распределение целиком, а просто набор или диапазон возможных в конкретной системе частот, длин волн, энергий, масс без указания вероятностей их реализации (например, говорят о спектре энергий частицы в квантовой яме).

В научный обиход термин «спектр» ввёл Исаак Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, получающейся при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму . В те годы это была просто фиксация факта наличия электромагнитных волн разных длин в солнечном излучении, но позднее были получены и распределения по длинам волн .

Типы спектров

По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров.

Примерами линейчатых спектров могут служить масс-спектры и спектры связанно-связанных электронных переходов атома ; примерами непрерывных спектров — спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров — спектры излучения звёзд , где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения или большинство звуковых спектров.

Другим критерием типизации спектров служат физические процессы, лежащие в основе их получения. Так, по типу взаимодействия излучения с материей, спектры делятся на эмиссионные (спектры излучения), абсорбционные ( спектры поглощения ) и спектры рассеяния.

• Электромагнитный спектр — совокупность всех диапазонов частот электромагнитных волн.
• Эмиссионный спектр — набор частот электромагнитного излучения, испускаемого атомом или молекулой при переходе на более низкий энергетический уровень.
• Спектр масс — набор значений масс элементарных частиц .
• Энергетический спектр — набор или диапазон возможных значений энергии частицы в конкретной (обычно квантовой) системе.
• Спектр нейтронов — функция , описывающая распределение нейтронов по энергии .

Спектры произвольных сигналов

В 1822 году Фурье , занимавшийся теорией распространения тепла в твёрдом теле, опубликовал работу «Аналитическая теория тепла», сыгравшую значительную роль в последующей истории математики. В этой работе он описал метод разделения переменных ( преобразование Фурье ), основанный на представлении функций тригонометрическими рядами ( ряды Фурье ). Фурье также сделал попытку доказать возможность разложения в тригонометрический ряд любой произвольной функции, и, хотя его попытка оказалась неудачной, она, фактически, стала основой современной цифровой обработки сигналов .

Оптические спектры, например, ньютоновский, количественно описываются функцией зависимости интенсивности излучения от его длины волны ${\displaystyle f(\lambda )}$ или, что эквивалентно, от частоты ${\displaystyle f(\omega )}$ , то есть функция ${\displaystyle f(\omega )}$ задана на частотной области (frequency domain). Частотное разложение в этом случае выполняется анализатором спектроскопа — призмой или дифракционной решеткой .

В случае акустики или аналоговых электрических сигналов ситуация другая: результатом измерения является функция зависимости интенсивности от времени ${\displaystyle j(\tau )}$ , то есть эта функция задана на временной области (time domain). Но, как известно, звуковой сигнал является суперпозицией звуковых колебаний различных частот , то есть такой сигнал можно представить и в виде «классического» спектра, описываемого ${\displaystyle f(\omega )}$ .

Именно преобразование Фурье однозначно определяет соответствие между временны́м ${\displaystyle j(\tau )}$ и частотным ${\displaystyle f(\omega )}$ представлениями и лежит в основе Фурье-спектроскопии .

Исторические сведения

Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который в своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году , опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света , а не вносится призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке . Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии : в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света — преломление , интерференцию и дифракцию , а его призма с коллиматором , щелью и линзой была первым спектроскопом.

Следующий этап наступил через 100 лет, когда Уильям Волластон в 1802 году наблюдал тёмные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814 году эти линии независимо обнаружил и подробно описал Фраунгофер (сейчас линии поглощения в солнечном спектре называются линиями Фраунгофера ), но не смог объяснить их природу. Фраунгофер описал свыше 500 линий в солнечном спектре и отметил, что положение линии D близко к положению яркой жёлтой линии в спектре пламени.

В 1854 году Кирхгоф и Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа , первого из инструментальных спектральных методов — одних из самых мощных методов экспериментальной науки.

В 1859 году Кирхгоф опубликовал в журнале «Ежемесячные сообщения Берлинской академии наук» небольшую статью «О фраунгоферовых линиях».

Примечательно, что эта работа Кирхгофа неожиданно приобрела и философское значение: ранее, в 1842 году , основоположник позитивизма и социологии Огюст Конт в качестве примера непознаваемого привёл именно химический состав Солнца и звёзд :

Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения , но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе

— Огюст Конт , «Курс позитивной философии», Книга II, Глава I (1842)

Работа Кирхгофа позволила объяснить природу фраунгоферовых линий в спектре Солнца и определить химический (или, точнее, элементный) состав его атмосферы.

Фактически, спектральный анализ открыл новую эпоху в развитии науки — исследование спектров как наблюдаемых наборов значений функции состояния объекта или системы оказалось чрезвычайно плодотворным и, в конечном итоге, привело к появлению квантовой механики : Планк пришёл к идее кванта в процессе работы над теорией спектра абсолютно чёрного тела .

В 1910 году были получены первые неэлектромагнитные спектры : Дж. Дж. Томсон получил первые масс-спектры , а затем в 1919 году Астон построил первый масс-спектрометр .

С середины XX века, с развитием радиотехники, получили развитие радиоспектроскопические, в первую очередь магнитно-резонансные методы — спектроскопии ядерного магнитного резонанса ( ЯМР -спектроскопия, являющаяся сейчас одним из основных методов установления и подтверждения пространственной структуры органических соединений), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), циклотронного резонанса (ЦР), ферромагнитного (ФР) и антиферромагнитного резонанса (АФР).

Другим направлением спектральных исследований, связанным с развитием радиотехники, стала обработка и анализ первоначально звуковых, а потом и любых произвольных сигналов.

См. также

• Спектроскопические методы
• Электронная спектроскопия
• Колебательная спектроскопия
• Атомно-эмиссионная спектрометрия
• Анализатор спектра

Примечания

Литература

• Вавилов С. И. Принципы и гипотезы оптики Ньютона. Собрание сочинений. — М. : Изд-во АН СССР, 1956. — Т. 3.
• Тарасов К. И. . — Л. : Машиностроение, 1968.
• Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Chemical Analysis by Observation of Spectra / Engl. translation from Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).

Ссылки

• Flash-приложение

В статье есть список источников , но не хватает сносок . Без сносок сложно определить, из какого источника взято каждое отдельное утверждение. Вы можете улучшить статью, проставив сноски на источники , подтверждающие информацию. Сведения без сносок могут быть удалены . ( 23 мая 2009 )