Widmo

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Widmo.svg

Widmo ( widmo łacińskie „wideo”) w fizyce to rozkład wartości wielkości fizycznej (zwykle energia , częstotliwość lub masa ). Zwykle widmo odnosi się do widma elektromagnetycznego - rozkładu natężenia promieniowania elektromagnetycznego według częstotliwości lub długości fal.

Termin „widmo” został wprowadzony do użytku naukowego przez Newtona w latach 1671-1672 dla oznaczenia wielokolorowego paska, podobnego do tęczy, który uzyskuje się, gdy promień słońca przechodzi przez trójkątny szklany pryzmat . [1]

Tło historyczne

Historycznie badanie widm optycznych rozpoczęto przed wszystkimi innymi widmami. Pierwszym był Izaak Newton, który w swojej pracy „Optyka”, opublikowanej w 1704 r. , opublikował wyniki swoich eksperymentów z rozkładem za pomocą pryzmatu światła białego na oddzielne składniki o różnych barwach i załamaniach, czyli uzyskał widma słoneczne promieniowania i wyjaśnił ich naturę, pokazując, że kolor jest nieodłączną właściwością światła i nie jest wprowadzany przez pryzmat, jak twierdził Roger Bacon w XIII wieku . W rzeczywistości Newton położył podwaliny pod spektroskopię optyczną: w Optyce opisał wszystkie trzy stosowane dzisiaj metody rozkładu światła – załamanie , interferencję i dyfrakcję , a jego pryzmat z kolimatorem , szczeliną i soczewką był pierwszym spektroskopem.

Kolejny etap nastąpił 100 lat później, kiedy William Wollaston zaobserwował ciemne linie w widmie słonecznym w 1802 roku , ale nie przywiązywał żadnej wagi do swoich obserwacji. W 1814 roku linie te zostały niezależnie odkryte i szczegółowo opisane przez Fraunhofera (obecnie linie absorpcyjne w widmie słonecznym nazywane są liniami Fraunhofera ), ale nie potrafiły wyjaśnić ich natury. Fraunhofer opisał ponad 500 linii w widmie słonecznym i zauważył, że pozycja linii D jest zbliżona do pozycji jasnożółtej linii w widmie płomienia.

W 1854 Kirchhoff i Bunsen rozpoczęli badania widm płomieni zabarwionych oparami soli metali, w wyniku czego położyli podwaliny pod analizę spektralną , pierwszą z instrumentalnych metod spektralnych - jedną z najpotężniejszych metod nauk eksperymentalnych.

W 1859 Kirchhoff opublikował krótki artykuł „O liniach Fraunhofera” w czasopiśmie Monthly Communications Berlińskiej Akademii Nauk. Napisał w nim:

Kirchhoff - Spektroskop Bunsena , Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), tom. 110 (1860) .

W związku z prowadzonym przeze mnie wspólnie z Bunsenem badaniem widm kolorowych płomieni, dzięki któremu możliwe stało się określenie składu jakościowego złożonych mieszanin poprzez pojawienie się ich widm w płomieniu palnika, dokonałem kilku obserwacji prowadząca do nieoczekiwanego wniosku o pochodzeniu linii Fraunhofera i umożliwiająca sądzenie na ich podstawie o materialnym składzie atmosfery Słońca i być może również jasnych gwiazd stałych ...

... kolorowe płomienie, w których widmach obserwowane są jasne, ostre linie, tak osłabiają przechodzące przez nie promienie tego samego światła, że ​​zamiast jasnych pojawiają się ciemne linie, jeśli tylko za płomieniem znajduje się dostatecznie źródło światła wysoka intensywność, w której widmie te linie są zwykle nieobecne. Dalej wnioskuję, że ciemne linie widma słonecznego, które nie zawdzięczają swojego wyglądu atmosferze ziemskiej, wynikają z obecności w żarzącej się atmosferze słońca takich substancji, które w widmie płomienia w tym samym miejscu, dać lekkie linie. Należy przyjąć, że jasne linie pokrywające się z D w widmie płomienia są zawsze spowodowane przez zawarty w nim sód, dlatego ciemne linie D widma słonecznego pozwalają nam wnioskować, że w atmosferze Słońca znajduje się sód. Brewster znalazł jasne linie w widmie płomienia saletry zamiast linii Fraunhofera A, a, B; te linie wskazują na obecność potasu w atmosferze słonecznej

Widmo emisyjne linii optycznej azotu

Warto zauważyć, że ta praca Kirchhoffa nieoczekiwanie nabrała znaczenia filozoficznego: wcześniej, w 1842 roku , twórca pozytywizmu i socjologii Auguste Comte przytaczał skład chemiczny Słońca i gwiazd jako przykład niepoznawalnego:

Rozumiemy, jak określać ich kształt, odległości do nich, masę i ruchy , ale nigdy nie dowiemy się niczego o ich składzie chemicznym i mineralogicznym.

- Auguste Comte , Kurs filozofii pozytywnej, księga II, rozdział I (1842)

Praca Kirchhoffa umożliwiła wyjaśnienie natury linii Fraunhofera w widmie słonecznym oraz określenie chemicznego (a dokładniej pierwiastkowego) składu jego atmosfery.

W rzeczywistości analiza spektralna otworzyła nową erę w rozwoju nauki - badanie widm jako obserwowalnych zbiorów wartości funkcji stanu obiektu lub systemu okazało się niezwykle owocne i ostatecznie doprowadziło do pojawienia się mechanika kwantowa : Planck wpadł na pomysł kwantu w trakcie prac nad teorią widma absolutnie czarnego ciała .

W 1910 uzyskano pierwsze widma nieelektromagnetyczne : J.J. Thomson uzyskał pierwsze widma masowe , a następnie w 1919 Aston zbudował pierwszy spektrometr masowy .

Od połowy XX wieku wraz z rozwojem radiotechniki, radiospektroskopii, przede wszystkim rezonansu magnetycznego, rozwinęły się metody - spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego ( spektroskopia NMR , która jest obecnie jedną z głównych metod ustalania i potwierdzania przestrzennej struktury organicznej związków), elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR ), rezonans cyklotronowy (CR), rezonans ferromagnetyczny (FR) i rezonans antyferromagnetyczny (AFR).

Kolejnym obszarem badań spektralnych związanym z rozwojem radiotechniki było przetwarzanie i analiza początkowo dźwięku, a następnie dowolnych sygnałów.

Rodzaje widm

Dwie reprezentacje widma optycznego : z góry, „naturalne” (widoczne w spektroskopie ), z dołu – jako zależność natężenia od długości fali. Pokazany jest połączony Widmo słonecznego promieniowania. Zaznaczono linie absorpcji wodoru serii Balmer .

Ze względu na charakter rozkładu wartości wielkości fizycznej widma mogą być dyskretne (linia), ciągłe (stałe), a także stanowić kombinację (nakładkę) widm dyskretnych i ciągłych.

Przykładami widm liniowych są widma masowe i widma wiązań elektronowych związanych z atomem ; przykładami widm ciągłych są widmo promieniowania elektromagnetycznego nagrzanego ciała stałego oraz widmo swobodnych przejść elektronowych atomu; przykładami widm połączonych są widma emisyjne gwiazd , w których chromosferyczne linie absorpcyjne lub większość widm dźwiękowych nakłada się na ciągłe widmo fotosfery .

Kolejnym kryterium typowania widm są procesy fizyczne leżące u podstaw ich pozyskiwania. Tak więc, w zależności od rodzaju oddziaływania promieniowania z materią, widma dzieli się na widma emisyjne (widma promieniowania), absorpcyjne ( widma absorpcyjne) i widma rozpraszające.

Arbitralne widma sygnałów: reprezentacje częstotliwości i czasu

Widmo magnetycznego rezonansu jądrowego ( 1 H) otrzymane za pomocą spektroskopii Fouriera NMR. Pierwotne widmo czasowe (intensywność-czas) pokazano na czerwono, a widmo częstotliwości (natężenie-częstotliwość) uzyskane przez transformację Fouriera pokazano na niebiesko.

W 1822 r. Fourier , który studiował teorię rozchodzenia się ciepła w ciele stałym, opublikował swoją pracę „Analityczna teoria ciepła”, która odegrała znaczącą rolę w późniejszej historii matematyki. W pracy tej opisał metodę rozdzielania zmiennych ( przekształcenie Fouriera ), opartą na reprezentacji funkcji za pomocą szeregów trygonometrycznych ( szereg Fouriera ). Fourier podjął również próbę wykazania, że ​​dowolną dowolną funkcję można rozłożyć na szereg trygonometryczny i choć jego próba zakończyła się niepowodzeniem, w rzeczywistości stała się podstawą nowoczesnego przetwarzania sygnałów cyfrowych .

Widma optyczne, na przykład newtonowskie, są ilościowo opisane funkcją zależności natężenia promieniowania od jego długości fali lub równoważnie na częstotliwości czyli funkcja określone w dziedzinie częstotliwości. Dekompozycji częstotliwości w tym przypadku dokonuje analizator spektroskopowy – pryzmat lub siatka dyfrakcyjna .

W przypadku sygnałów akustycznych lub analogowych sygnałów elektrycznych sytuacja jest inna: wynik pomiaru jest funkcją natężenia w funkcji czasu , czyli ta funkcja jest określona w dziedzinie czasu. Ale jak wiadomo sygnał dźwiękowy to złożenie drgań dźwiękowych o różnych częstotliwościach , czyli taki sygnał można przedstawić w postaci „klasycznego” widma opisanego przez ...

To transformacja Fouriera jednoznacznie określa zgodność między oraz i leży w sercu spektroskopii Fouriera .

Zobacz też

Notatki (edytuj)

  1. Izaak Newton. Szkic „Teorii światła i barw” . Koniec 1671 - początek 1672

Literatura

  • Wawiłow SI Zasady i hipotezy optyki Newtona. Dzieła zebrane. - M .: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1956 .-- T. 3.
  • Tarasov KI Instrumenty spektralne . - L .: Inżynieria mechaniczna, 1968.
  • Gustava Kirchhoffa, Roberta Bunsena. Analiza chemiczna przez obserwację widm / inż. przekład z Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), t. 110 (1860).

Spinki do mankietów