В физических науках термин «спектр» впервые был введен в оптику Исааком Ньютоном в 17 веке, имея в виду диапазон цветов, наблюдаемых при рассеивании белого света через призму . [1] [2] Вскоре этот термин стал обозначать график интенсивности или мощности света как функции частоты или длины волны , также известный как график спектральной плотности .
Позже он был расширен для применения к другим волнам , таким как звуковые волны и морские волны , которые также могли быть измерены как функция частоты (например, спектр шума , спектр морских волн ). Он также был расширен до более абстрактных « сигналов », спектр мощности которых может быть проанализирован и обработан . Теперь этот термин применяется к любому сигналу, который может быть измерен или разложен вдоль непрерывной переменной, такой как энергия в электронной спектроскопии или отношение массы к заряду в масс-спектрометрии . Спектр также используется для обозначения графического представления сигнала как функции зависимой переменной.
На латыни спектр означает «образ» или « явление », включая значение « призрак ». Спектральные доказательства — это показания о том, что было сделано призраками людей, не присутствующих физически, или слухи о том, что говорили призраки или видения Сатаны . Он использовался для осуждения ряда лиц за колдовство в Сейлеме, штат Массачусетс, в конце 17 века. Слово «спектр» [Spektrum] строго использовалось для обозначения призрачного оптического остаточного изображения Гете в его «Теории цветов» и Шопенгауэром в «О зрении и цветах » .
Префикс «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, испускаемого или поглощаемого данным конкретным объектом. Устройства, используемые для измерения электромагнитного спектра, называются спектрографом или спектрометром . Видимый спектр — это часть электромагнитного спектра, которую может видеть человеческий глаз . Длина волны видимого света составляет от 390 до 700 нм . [4] Спектр поглощения химического элемента или химического соединения — это спектр частот или длин волн падающего излучения, которые поглощаются соединением из-за переходов электронов из более низкого в более высокое энергетическое состояние. Спектр излучения относится к спектру излучения, испускаемого соединением из-за переходов электронов из более высокого в более низкое энергетическое состояние.
Свет из многих различных источников содержит различные цвета, каждый из которых имеет свою собственную яркость или интенсивность. Радуга, или призма , посылает эти составляющие цвета в разных направлениях, делая их индивидуально видимыми под разными углами. График интенсивности, построенный против частоты (показывающий яркость каждого цвета), является частотным спектром света. Когда все видимые частоты присутствуют в равной степени, воспринимаемый цвет света белый, а спектр представляет собой плоскую линию. Поэтому спектры с плоскими линиями 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 совместно использоваться многими различными вещателями. Радиоспектр — это часть электромагнитного спектра, соответствующая частотам ниже 300 ГГц, что соответствует длинам волн более 1 мм. Микроволновый спектр соответствует частотам от 300 МГц (0,3 ГГц ) до 300 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 вещателей, радиоспектр состоит из суммы всех отдельных каналов, каждый из которых несет отдельную информацию, распределенную по широкому частотному спектру. Любой конкретный радиоприемник обнаружит одну функцию амплитуды (напряжения) во времени. Затем радио использует настроенную схему или тюнер для выбора одного канала или частотного диапазона и демодуляции или декодирования информации от этого вещателя. Если бы мы построили график силы каждого канала в зависимости от частоты тюнера, это был бы частотный спектр сигнала антенны.
В астрономической спектроскопии сила, форма и положение линий поглощения и испускания, а также общее распределение спектральной энергии континуума раскрывают многие свойства астрономических объектов. Звездная классификация — это категоризация звезд на основе их характерных электромагнитных спектров. Спектральная плотность потока используется для представления спектра источника света, например звезды.
В радиометрии и колориметрии (или науке о цвете в целом) 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 размером от одного до двух нанометров , и даже сообщалось об устройствах с более высоким разрешением с разрешением менее 0,5 нм. [7] значения используются для расчета других спецификаций, а затем наносятся на график, чтобы показать спектральные атрибуты источника. Это может быть полезно при анализе цветовых характеристик конкретного источника.
График распространенности ионов как функции 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 число частиц или интенсивность пучка частиц как функция энергии частицы. Примерами методов, которые производят энергетический спектр, являются альфа-частичная спектроскопия , спектроскопия потери энергии электронами и масс-анализируемая ионно-кинетическая спектрометрия энергии .
Колебательные смещения , включая вибрации , также можно охарактеризовать спектрально.
![Классификация спектра морских волн по периоду волн[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 Форт-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 иметь много разных частот, смешанных вместе. Тембр музыкального тона характеризуется его гармоническим спектром . Звук в нашей среде, который мы называем шумом, включает много разных частот. Когда звуковой сигнал содержит смесь всех слышимых частот, равномерно распределенных по звуковому спектру, он называется 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, обеспечивая легкий доступ не только для профессионалов отрасли, но и для ученых, студентов и любителей . Акустическая спектрограмма, созданная анализатором спектра, обеспечивает акустическую подпись музыкальной ноты. Помимо выявления основной частоты и ее обертонов, спектрограмма также полезна для анализа временной атаки , затухания , сустейна и высвобождения музыкальной ноты.
В физических науках спектр физической величины (такой как энергия ) можно назвать непрерывным , если он отличен от нуля во всей области спектра (такой как частота или длина волны ) или дискретным , если он достигает ненулевых значений только в дискретном наборе по независимой переменной , с запрещенными зонами между парами спектральных полос или спектральных линий . [13]
Классический пример непрерывного спектра, от которого произошло название, — это часть спектра света , испускаемого возбужденными атомами водорода , которая возникает из-за того, что свободные электроны связываются с ионом водорода и испускают фотоны, которые плавно распределяются по широкому диапазону 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 этом классическом примере, термин чаще всего используется, когда диапазон значений физической величины может иметь как непрерывную, так и дискретную часть, будь то в одно и то же время или в разных ситуациях. В квантовых системах непрерывные спектры (как в тормозном и тепловом излучении ) обычно связаны со свободными частицами, такими как атомы в газе, электроны в электронном пучке или электроны зоны проводимости в металле . В частности, положение и импульс свободной частицы имеют непрерывный спектр, но когда частица ограничена ограниченным пространством, ее спектр становится дискретным.
Часто непрерывный спектр может быть просто удобной моделью для 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 в функциональном пространстве , например, оператора Гамильтона .
Классический пример дискретного спектра (для которого этот термин был впервые использован) — это характерный набор дискретных спектральных линий, наблюдаемых в спектре излучения и спектре поглощения изолированных атомов химического элемента , которые поглощают и испускают свет только на определенных длинах 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 может быть математически смоделировано с помощью инструментов функционального анализа , в частности, путем разложения спектра линейного оператора, действующего на функциональное пространство .
В классической механике дискретные спектры часто ассоциируются 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 производятся некоторыми нелинейными осцилляторами, где соответствующая величина имеет несинусоидальную форму волны . Известными примерами являются звук, производимый голосовыми связками млекопитающих. [14] [15] : стр.684 и стридуляционные органы сверчков , [16] спектр которых показывает ряд сильных линий на частотах, которые являются целыми кратными ( гармониками ) частоты колебаний .
Связанным явлением является появление сильных гармоник, когда синусоидальный сигнал (который имеет конечный «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, как правило, будет иметь спектральные линии на частотах | mf + ng |, где m и n — любые целые числа.
В квантовой механике дискретный спектр наблюдаемой величины относится к чистому точечному спектру собственных значений оператора , используемого для моделирования этой наблюдаемой величины. [19] [20]
Дискретные спектры обычно связаны с системами, которые в некотором смысле связаны (математически ограничены компактным пространством ). [ требуется ссылка ] Операторы положения и импульса имеют непрерывные спектры в бесконечной области, но дискретный (квантованный) спектр в компактной области, и те же свойства спектров сохраняются 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 ионизацию .
OpenStax Astronomy, "Спектроскопия в астрономии". OpenStax CNX. 29 сентября 2016 г. "OpenStax CNX". Архивировано из оригинала 17 февраля 2017 г. Получено 17 февраля 2017 г.В физике непрерывный спектр обычно означает набор достижимых значений для некоторой физической величины (например, энергии или длины волны), лучше всего описываемый как интервал действительных чисел. Это противоположность дискретному спектру, набору достижимых значений, которые являются дискретными в математическом смысле, где между каждым значением есть положительный зазор.[ мертвая ссылка ]
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь )