Спектр (версия Миг)

Спектр в очень большой отражательной дифракционной решётке.

Солнечный свет после прохождения через треугольную стеклянную призму.

Радуга

Спектр (лат. spectrum — видимое, от лат. specter — виде́ние) — множество значений физической величины, или распределение их, согласно определённому параметру (например значений энергии, частоты или массы).

• Графическое представление спектрального распределения называется спектральной диаграммой.

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр (свет выдвинут на первый план)

Спектр солнечного света

Чаще всего под спектром подразумевается электромагнитный спектр — спектр частот (или, что то же самое, энергий квантов) электромагнитного излучения. Видимый свет, или спектр электромагнитного излучения с длинами волн ≈ 380—760 нм, — часть электромагнитного спектра, которую может видеть человеческий глаз (версия Миг) (от фиолетового до красного). Спектр может быть представлен графически.

Восприятие спектра цветов

Рис.3,Схема спектра основных цветов и их смешения

Впервые непрерывный спектр цветов был открыт великим учёным Исааком Ньютоном. Именно Исаак Ньютон впервые обнаружил, что белый свет, пройдя через призму диспергирует (распадается) на непрерывный спектр (рис.3). Он также заметил, если все цвета полученного спектра опять смешать, то они в итоге образуют «белый» свет. Ньютон, находясь под действием европейской нумерологии и основываясь на аналогии с семью нотами в октаве (сравните: 7 металлов, 7 планет…) разделил непрерывный спектр на составляющие его 7 основных цветов. Это разбиение во многом случайно и условно.

Сейчас эти цвета называются:

• Красный
• Оранжевый
• Жёлтый
• Зелёный
• Голубой
• Синий
• Фиолетовый

Эти основные 7 цветов спектра достаточно хорошо различимы. (См. рис.3). Глаз (версия Миг) может отличить до нескольких сотен оттенков, когда «смешаны» различные чистые спектральные цвета, или «разбавлены» белым светом. Тренированный глаз может различать значительно больше оттенков.

Восприятие света (цвета)

Рис.3а,Схема цветного зрения с точки зрения трёхкомпонентной теории

Реакция на свет также может быть различной (В) (см. рис.3а). В условиях низких уровней освещения (вечернее и ночное время) зрение — scotopic осуществляется работой фоторецепторов — палочкек. Палочки максимально чувствительны к длинам волны порядка 500 нм. При более ярком свете (днём), видение — цветовое. В этих условиях, к работе подключаются Экстерорецепторы (версия Миг) колбочки. При этом, максимум чувствительности палочки смещается к длинам волн около 555нм. В этих условиях освещённости это состояние известно как mesopic (освещение от 0.001 до 3 cd m⁻²) видение, когда и палочки и колбочки обеспечивают значащие выходные сигналы (в виде биотоков, которые можно сканировать), исходящие из сетчатки глаза — от фоторецепторов — колбочек и палочек, расположенных в фокальной поверхности сетчатки.

Восприятие «белого» цвета обычно происходит благодаря воздействию всего спектра видимого света, или является реакцией глаза при воздействии нескольких длин волн, типа красного, зелёного, и синего, или даже, смешением только пары цветов, типа синего и желтого. При этом лучи света вначале проходят через верхний ганглиозный слой, где сталкиваются с фоторецепторами ipRGC. При этом рефлекторно они взаимодействуют с колбочками, палочками и мозгом. И находящийся у них пигмент меланопсин (версия Миг), чувствительный к фиолетово-синему спектру (к длине волны 460‒484нм), участвует вместе с колбочками и палочками в трансдукции биосигнала фиолетово-синего цвета.

Фокальная поверхность сетчатки, содержащая светочувствительные палочки, колбочки и ганглиозный слой, содержащий фоторецпторы ipRGC, преобразуют фотоны (частицы света) в нервные импульсы, поступающие в мозг, причем импульсы из правого глаза идуг в левое полушарие мозга, и наоборот (А), Палочки чувствительны к низким уровням освещения, Колбочки, начинают функционировать при сильном освещении. По мере затемнения активность колбочек падает и они перестают реагировать на свет. Реакция на свет также может быть различной (В) Колбочки (1) воспринимают желто-зеленую часть спектра, а палочки (2), хотя и обеспечивают черно-белое видение, воспринимают также и волны сине-зеленой части спектра Наибольшую точность зрения при ярком освещении дает небольшой участок, центральная ямка сетчатки, в которой имеются только колбочки.

История

Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который и ввёл в научный обиход термин «спектр» для обозначения полученной им в опытах над солнечным светом многоцветной полосы, похожей на радугу. В своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью треугольной стеклянной призмы белого видимого 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 вносятся 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». В ней он писал:

Спектроскоп Кирхгофа-Бунзена, Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).

В связи с выполненным мною совместно с Бунзеном исследованием спектров окрашенных пламеней (пламя), 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 пламени (пламя), 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

Оптический линейчатый эмиссионный спектр азота

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.

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 магнито-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.

Типы спектров

Два представления оптического спектра: сверху «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу — как зависимость интенсивности от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения солнца. Отмечены линии поглощения бальмеровской серии водорода.

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), адсорбционные (спектры поглощения), спектр отражения и спектры рассеивания.

Исторические сведения

Фрагмент рукописи «Оптики» Ньютона с описанием одного из экспериментов с призмой.

Спектр

Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который в своем труде «Оптика», вышедшем в 1704 г. опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого видимого 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 вносятся призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII столетии. В ходе своих опытов по интерференции света (кольца Ньютона) он также создал первую спектральную таблицу границ между цветами солнечного света, определив соответствующие длины волн. 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 г. наблюдал темные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814 г. 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 желтой линии в спектре пламени.

Спектральные методы исследований

Спектроскопия

Спектроскопия — метод визуального исследования спектров излучения, отражения и поглощения веществ. Этом метод был единственно возможным до создания фотографии.

Спектрографические исследования

• Спектрометрия

Спектры произвольных сигналов: частотное и временное представления

Спектр ядерного магнитного резонанса (¹H), полученный методом Фурье-спектроскопии ЯМР. Красным показан исходный временной спектр (интенсивность-время), синим — частотный (интенсивность-частота), полученный Фурье-преобразованием.

В 1822 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 (метод Фурье), основанный на представлении функций тригонометрическими рядами (ряды Фурье). Фурье также сделал попытку доказать возможность разложения в тригонометрический ряд любой произвольной функции, и, хоть его попытка оказалась неудачна, она, фактически, стала основой современных методов цифровой обработки сигналов.

Оптические спектры, например, Ньютоновский, количественно описываются функцией зависимости интенсивности излучения от его длины волны $f(\lambda )$ или, что эквивалентно, от частоты $f(\omega )$, то есть функция $f(\omega )$ 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 $j(\tau )$, 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 $f(\omega )$.

Именно преобразование Фурье однозначно определяет соответствие между $j(\tau )$ и $f(\omega )$

Преобразование Фурье лежит в основе метода Фурье-спектроскопии.

Другие значения термина

Математика

В математике употребляются термины спектр оператора, спектр матрицы и спектр кольца. В приложениях теории графов к задачам математической химии используется понятие спектр графа.

Также существует кепстр — спектр спектра.

Фармакология

В фармакологии употребляется термин «спектр действия» препарата или медикамента.

Физика элементарных частиц

В физике элементарных частиц употребляются такие термины как:

• Спектр масс элементарных частиц.
• Спектр нейтронов

Акустика

В акустике широко используется спектральный анализ звуков (голоса, музыки, шумов).

См. также

• Спектроскопические методы
• Спектральный анализ
• Спектральные цвета
• Визуализация
• Электронная спектроскопия
• Колебательная спектроскопия
• Масс-спектрометрия
• Атомно-эмиссионная спектрометрия
• Преобразование Фурье
• Электронный Парамагнитный Резонанс (ЭПР)

Литература

• Вавилов С. И. Принципы и гипотезы оптики Ньютона. Собрание сочинений. Т. 3. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.^{о книге}
• Тарасов К. И. Спектральные приборы. — Л.: Машиностроение, 1968.^{о книге}
• Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen. Chemical Analysis by Observation of Spectra / Engl. translation from Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860). [1]

Ссылки

• Перенос излучения и спектры небесных тел
• Спектр Flash-приложение