Просмотр кода страницы Спектр

{{другие значения}}
'''Спектр''' ({{lang-la|spectrum}} «виде́ние») в [[физика|физике]] — [[Скалярная величина|скалярная]] функция [[частота|частоты]] <math>\nu</math>, [[Длина волны|длины волны]] <math>\lambda</math> или, реже, другой [[Физическая величина|физической величины]] (например, [[Энергия|энергии]], [[Масса|массы частиц]]), определяющая «относительную представленность» значений данной величины в изучаемом объекте: сложном сигнале, многокомпонентной среде и прочем. С точностью до нормировки совпадает с [[плотность распределения|плотностью]] или [[ряд распределения|рядом]] распределения соответствующей величины. В составных понятиях, например [[спектр поглощения]] или [[спектр испускания]], слово ''спектр'' по сути означает «спектральный состав» изучаемого явления.

== Применение понятия ==
Обычно под спектром подразумевается [[Электромагнитный спектр|электромагнитный]] (или [[акустический спектр|акустический]]) спектр, задающий распределение частот / длин волн [[электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]] (или [[упругая волна|упругих колебаний]]). Форма спектра показывает, в какой мере в сигнале представлены синие, [[Зелёный цвет|зелёные]] 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<sup>3</sup>)/Гц или (Вт/м<sup>2</sup>)/Гц, а если [[длина волны]], то (Дж/м<sup>3</sup>)/м или (Вт/м<sup>2</sup>)/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).

[[Файл:Spectrum.svg|right|483x483px]]
В научный обиход термин «спектр» ввёл [[Ньютон, Исаак|Исаак Ньютон]] в [[1671 год|1671]]—[[1672 год|1672 годах]] для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, получающейся при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную [[Призма (оптика)|призму]]<ref>''Isaac Newton.'' [http://www.newtonproject.sussex.ac.uk/catalogue/record/NATP00003 Draft of «A Theory Concerning Light and Colors»] {{Wayback|url=http://www.newtonproject.sussex.ac.uk/catalogue/record/NATP00003 |date=20120308190136 }}. Конец 1671 — начало 1672 годов</ref>. В те годы это была просто фиксация факта наличия электромагнитных волн разных длин в солнечном излучении, но позднее были получены и [[Солнечная радиация#Влияние солнечной радиации на климат|распределения по длинам волн]].

== Типы спектров ==
[[Файл:Spectra.Classical&Function.jpg|thumb|350px|Два представления [[электромагнитный спектр#Оптическое излучение|оптического спектра]]: сверху «естественное» (видимое в [[спектроскоп]]е), снизу — как зависимость интенсивности от длины волны. Показан ''комбинированный спектр'' излучения [[солнце|солнца]]. Отмечены линии поглощения [[Серия Бальмера|бальмеровской серии]] водорода]]
По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть [[дискретность|дискретными]] (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представляющими комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных вкладов. Дискретные вклады, при наличии, проявляются острыми пиками спектра вверх (математически вплоть до [[Дельта-функция|дельтаобразных]]) или вниз. 

Примерами линейчатых спектров служат [[масс-спектрометрия|масс-спектры]] и спектры связанно-связанных электронных переходов [[атом]]а; примерами непрерывных спектров — спектр [[электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]] нагретого твёрдого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров — спектры излучения [[звезда|звёзд]], где на сплошной спектр [[фотосфера|фотосферы]] накладываются [[хромосфера|хромосферные]] линии поглощения, или большинство [[звук]]овых спектров.

Особой разновидностью спектров являются упоминавшиеся в предыдущем разделе «наборы» потенциально реализуемых в изучаемой системе значений какой-либо величины.

Другим критерием типизации спектров служат категории физических процессов, лежащих в основе их получения. Так, по типу взаимодействия [[Излучение|излучения]] с материей, спектры делятся на [[эмиссионный спектр|эмиссионные]] (спектры излучения), абсорбционные ([[спектр поглощения|спектры поглощения]]) и спектры рассеяния.

== Некоторые спектры ==
* [[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 [[масса|масс]] [[элементарная частица|элементарных частиц]].
* [[Энергетический спектр]] — набор или диапазон возможных значений [[энергия|энергии]] частицы в конкретной (обычно квантовой) системе.
* [[Спектр нейтронов]] — [[Функция (математика)|функция]], описывающая распределение [[нейтрон]]ов по [[энергия|энергии]].

== Фурье-преобразование ==
[[Файл:FT-NMR.Spectra.png|thumb|350px|Спектр [[Ядерный магнитный резонанс|ядерного магнитного резонанса]] (<sup>1</sup>H), полученный методом фурье-спектроскопии ЯМР. Красным показан исходный временной спектр (интенсивность-время), синим — частотный (интенсивность-частота), полученный [[преобразование Фурье|фурье-преобразованием]]]]
В 1822 году [[Фурье, Жан Батист Жозеф|Фурье]] опубликовал работу «Аналитическая теория тепла», где описал метод разделения переменных ([[преобразование Фурье]]), основанный на представлении функций тригонометрическими рядами ([[Ряд Фурье|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 [[Цифровая обработка сигналов|цифровой обработки сигналов]].

Оптические спектры, например, ньютоновский, количественно описываются функцией зависимости интенсивности излучения от его длины волны <math>f(\lambda )</math> или, что эквивалентно, от частоты <math>f(\omega )</math>, то есть функция <math>f(\omega )</math> задана на частотной области (frequency domain). Частотное разложение в этом случае выполняется анализатором спектроскопа — призмой или [[Дифракционная решётка|дифракционной решёткой]].

В случае акустики или аналоговых электрических сигналов ситуация другая: результатом измерения является функция зависимости интенсивности от времени <math>j(\tau )</math>, то есть эта функция задана на временной области (time domain). Но, как известно, звуковой сигнал является суперпозицией [[звук]]овых колебаний различных [[Частота|частот]], то есть такой сигнал можно представить и в виде «классического» спектра, описываемого <math>f(\omega )</math>.

Именно преобразование Фурье однозначно определяет соответствие между временны́м <math>j(\tau )</math> и частотным <math>f(\omega )</math> представлениями и лежит в основе [[Фурье-спектроскопия|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 год]]у, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого [[Видимый свет|света]] на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство [[свет]]а, а не вносится призмой, как утверждал [[Бэкон, Роджер|Роджер Бэкон]] в [[XIII век]]е. Фактически, Ньютон заложил основы оптической [[Спектроскопия|спектроскопии]]: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света — [[Дисперсия (оптика)|преломление]], [[Интерференция света|интерференцию]] и [[Дифракция|дифракцию]], а его призма с [[коллиматор]]ом, щелью и линзой была первым спектроскопом.

Следующий этап наступил через 100 лет, когда [[Волластон, Уильям|Уильям Волластон]] в [[1802 год]]у наблюдал тёмные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В [[1814 год]]у эти линии независимо обнаружил и подробно описал [[Фраунгофер, Йозеф|Фраунгофер]] (сейчас [[спектральная линия поглощения|линии поглощения]] в солнечном спектре называются [[Фраунгоферова линия|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 год]]у [[Кирхгоф, Густав Роберт|Кирхгоф]] и [[Бунзен, Роберт Вильгельм|Бунзен]] начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы [[Спектральный анализ|спектрального анализа]], первого из инструментальных спектральных методов — одних из самых мощных методов экспериментальной науки.

В [[1859 год]]у Кирхгоф опубликовал в журнале «Ежемесячные сообщения Берлинской академии наук» небольшую статью «О фраунгоферовых линиях».
{{начало скрытого блока|выдержка из труда Кирхгофа}}
[[Файл:Kirchhoff-Bunsen.Spectroscope.jpg|thumb|350px|Спектроскоп [[Кирхгоф, Густав Роберт|Кирхгофа]]-[[Бунзен, Роберт Вильгельм|Бунзена]], ''Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860)'']]
{{начало цитаты}}
В связи с выполненным мною совместно с Бунзеном исследованием спектров окрашенных пламен, благодаря которому стало возможным определить качественный состав сложных смесей по виду их спектров в пламени паяльной лампы, я сделал некоторые наблюдения, приводящие к неожиданному выводу о происхождении фраунгоферовых линий и позволяющие по ним судить о вещественном составе атмосферы Солнца и, возможно, также ярких неподвижных звезд…

…окрашенные пламена, в спектрах которых наблюдаются светлые резкие линии, так ослабляют проходящие через них лучи того же света, что на месте светлых линий появляются темные, если только за пламенем находится источник света достаточно большой интенсивности, в спектре которого эти линии обычно отсутствуют. Я далее заключаю, что темные линии солнечного спектра, не обязанные своим появлением земной атмосфере, возникают из-за присутствия в раскаленной атмосфере Солнца таких веществ, которые в спектре пламени на том же самом месте дают светлые линии. Следует принять, что совпадающие с D светлые линии в спектре пламени всегда вызываются находящимся в нём натрием, поэтому темные линии D солнечного спектра позволяют заключить, что в атмосфере Солнца имеется натрий. Брюстер нашёл в спектре пламени селитры светлые линии на месте фраунгоферовых линий А, а, В; эти линии указывают на присутствие калия в солнечной атмосфере
{{конец цитаты}}
{{конец скрытого блока}}
[[Файл:Nitrogen.Spectrum.Vis.jpg|thumb|600px|Оптический линейчатый эмиссионный спектр [[азот]]а]]
Примечательно, что эта работа [[Кирхгоф, Густав Роберт|Кирхгофа]] неожиданно приобрела и философское значение: ранее, в [[1842 год]]у, основоположник [[позитивизм]]а и [[Социология|социологии]] [[Конт, Огюст|Огюст Конт]] в качестве примера непознаваемого привёл именно химический состав [[Солнце|Солнца]] и [[Звезда|звёзд]]:
{{начало цитаты}}
Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их [[Масса|массу]] и их [[Механическое движение|движения]], но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе
{{конец цитаты|источник=[[Конт, Огюст|Огюст Конт]], «Курс позитивной философии», Книга II, Глава I (1842)}}
Работа Кирхгофа позволила объяснить природу [[Фраунгоферова линия|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 [[Квантовая механика|квантовой механики]]: [[Планк, Макс Карл Эрнст Людвиг|Планк]] пришёл к идее [[Квант (физика)|кванта]] в процессе работы над теорией спектра [[Абсолютно чёрное тело|абсолютно чёрного тела]].

В [[1910 год]]у были получены ''первые неэлектромагнитные спектры'': [[Томсон, Джозеф Джон|Дж. Дж. Томсон]] получил первые [[масс-спектр]]ы, а затем в [[1919 год]]у [[Астон, Фрэнсис Уильям|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 ([[Ядерный магнитный резонанс|ЯМР]]-спектроскопия, являющаяся сейчас одним из основных методов установления и подтверждения пространственной структуры органических соединений), [[Электронный парамагнитный резонанс|электронного парамагнитного резонанса]] (ЭПР), циклотронного резонанса (ЦР), [[Ферромагнитный резонанс|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 ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{книга
 | автор = Вавилов С. И.
 | заглавие = Принципы и гипотезы оптики Ньютона. Собрание сочинений
 |том=3
 | место = М.
 | издательство = Изд-во АН СССР
 | год = 1956
 | ссылка = 
}}
* {{книга
 | автор = Тарасов К. И. 
 | заглавие = Спектральные приборы
 | место = Л.
 | издательство = Машиностроение
 | год = 1968
 | ссылка = http://www.tarasov-spectr.narod.ru/
}}
* Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Chemical Analysis by Observation of Spectra / Engl. translation from Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).

== Ссылки ==
{{wiktionary|спектр}}
* [https://web.archive.org/web/20090207155912/http://astronomy.net.ua/4files/details.php?image_id=1 Перенос излучения и спектры небесных тел]
* [http://www.digcode.ru/BlackBodySpecrtrum.html Спектр] Flash-приложение

{{Внешние ссылки}}
{{EMSpectrum}}
{{нет сносок|дата=2009-05-23}}

[[Категория:Спектроскопия]]
[[Категория:Наблюдательная астрономия]]
[[Категория:Оптика]]
[[Категория:Астрономические явления]]
[[Категория:Цвет]]