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 график спектральной плотности .
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.
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 относится к полному диапазону всех частот электромагнитного излучения [3] , а также к 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 химического элемента или химического соединения — это спектр частот или длин волн падающего излучения, которое поглощается соединением вследствие переходов электронов из более низкого в более высокое энергетическое состояние. Спектр излучения относится к спектру излучения, испускаемого соединением в результате электронных переходов 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 разные стороны, 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 — это часть электромагнитного спектра , соответствующая частотам ниже 300 ГГц, что соответствует длинам волн длиннее примерно 1 мм. Микроволновой спектр соответствует частотам от 300 МГц (0,3 ГГц ) до 300 ГГц и длинам волн от одного метра до одного миллиметра. [5] [6] Каждая 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 частотному спектру. Любой конкретный радиоприемник обнаружит одну функцию зависимости амплитуды (напряжения) 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.
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.
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 .
Колебательные перемещения , в том числе и вибрации , можно охарактеризовать и спектрально.
![Классификация спектра океанских волн по периоду волнения[9]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/Munk_ICCE_1950_Fig1.svg/1280px-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/1280px-Tides_Fourier_Transform.png)
В акустике спектрограмма — это визуальное представление частотного спектра звука как функции времени или другой переменной.
Источник звука может смешивать множество разных частот. Тембр музыкального тона 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.
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 возбужденными атомами водорода , возникающая в 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 употребляется, когда диапазон значений физической величины может иметь как непрерывную, так и дискретную часть одновременно или 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 с определенными длинами волн . На этом явлении основана техника спектроскопии .
Дискретные спектры наблюдаются во многих других явлениях, таких как вибрирующие струны , микроволны в металлической полости , звуковые волны в пульсирующей звезде и резонансы в физике частиц высоких энергий . Общее явление дискретных спектров в физических системах можно математически смоделировать с помощью инструментов функционального анализа , в частности, путем разложения спектра линейного оператора , действующего в функциональном пространстве .
В классической механике дискретные спектры часто связаны с волнами и колебаниями в ограниченном объекте или области. Математически их можно отождествить с собственными значениями 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 органы стридуляции сверчков , [16] спектр которых показывает серию сильных линий на частотах, которые являются целыми кратными ( гармониками ) частоты колебаний .
Связанным с этим явлением является 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 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 цитата ] Операторы положения и импульса имеют непрерывный спектр в бесконечной области, но дискретный (квантованный) 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 .
OpenStax Astronomy, «Спектроскопия в астрономии». OpenStax CNX. 29 сентября 2016 г. «OpenStax CNX». Архивировано из оригинала 17 февраля 2017 года . Проверено 17 февраля 2017 г.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 ]
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь )