Rodzaje widm w fizyce

Artykuł omawia definicję i rodzaje spektrum, obejmuje dziedziny zastosowania spektroskopii, a także opisuje badania nieznanej substancji stałej i typy stosowanych w tym celu widm.

Czym jest widmo?

Ogólnie rzecz biorąc, w tej formie to pytanie zachęca czytelnika do przypomnienia lekcji fizyki i nieskończonych formuł. Jednak ta koncepcja obejmuje znacznie większą różnorodność i wykracza poza szkolny program nauczania. Widmo jest więc rozkładem wartości pewnej ilości (czasem pojęciem). Ilość oczywiście wiąże się z określoną masą, energią, długość fali. Ale są zupełnie inne dystrybucje. Na przykład kobieta może ugotować dwie potrawy - to jej kulinarne spektrum. Albo człowiek może pić kawę, kompot, herbatę, ale nie przyjmuje alkoholu, co oznacza, że ​​jego zakres napojów jest ograniczony. Oznacza to, że są całkowicie niezwiązane z rodzaje nauki widma. Fizyka w powyższych przykładach nie odgrywa żadnej roli.

Skala elektromagnetyczna

Jednak najczęściej ludzie słyszą tę koncepcję, jeśli chodzi o naukę (w szczególności o skali elektromagnetycznej). Skąd pochodzą fale elektromagnetyczne? Sam mechanizm ich występowania jest wciąż tajemnicą. Ogólnie obszar nie jest cząstkami, ale pola są bardzo tajemnicze. Wiadomo jednak, że pola elektromagnetyczne (a więc i fale) powstają w obecności ładunku poruszającego się w przestrzeni. W zależności od tego, czym jest i jak się porusza, na skali elektromagnetycznej pojawiają się różne rodzaje promieniowania. Widmo w tym przypadku jest rozważane w zależności od długości fali. Przypomnijmy, że termin ten odnosi się do minimalnej odległości między identycznymi fazami sąsiednich zaburzeń (jeśli prostsze, pomiędzy maksimami lub minimami następującymi po sobie). Największe fale mają fale radiowe, najmniejsze - promieniowanie gamma. To, co widzi ludzkie oko, stanowi jedynie niewielką część całego zakresu i znajduje się bliżej początku skali. Dlatego typy widm różnią się przede wszystkim długością fali lub częstotliwością.

Spektroskopia

W części poznawczej tego artykułu opisano niektóre podstawowe pojęcia. Jednak najważniejsze w każdym badaniu jest jego znaczenie.

Innymi słowy - zakres. Do tej części prowadzą wszystkie rodzaje widm. Są używane wszędzie: od medycyny sądowej po tworzenie nowych substancji, od biologii po przestrzeń międzygwiezdną. Nauka, która koncentruje się na tej fizycznej koncepcji, jak czytelnik prawdopodobnie już zrozumiał, nazywa się spektroskopią. Obecnie typy widm (odpowiednio analiza spektralna) wyróżniają się kilkoma kryteriami.

Rodzaje widm

Jak wspomniano, pierwszym kryterium jest długość fali. Przypomnij sobie, że częstotliwość fali jest odwrotnie proporcjonalna do długości - pojęcia te są stale połączone. Zgodnie z obszarami w skali elektromagnetycznej istnieją widma radiowe, ultrafioletowe, widzialne, podczerwone, rentgenowskie. Drugim kryterium jest geometria eksperymentu. Usunięcie dla widma odbicia i transmisji może być zasadniczo różne.

Analiza różnic może wiele powiedzieć o badanej substancji. Na przykład sformułowano wnioski dotyczące składu i gęstości pierścieni Saturna.

Linie i paski

Żart o sferycznym koniu w próżni jest tylko pół żartem. Pięćdziesiąt procent, jeśli nie większość, fizycznych pojęć w naturze nie istnieje w ich czystej postaci. Dlatego poniższe kryterium, które oddziela typy widm, jest warunkowe. Jeden idealny atom (lub cząsteczka) materii w absolutnej próżni da rozkład sygnałów elektromagnetycznych składających się z cienkich linii. Warunki te są niewykonalne, ale mimo to bardzo wąskie pasma z nierozróżnialnymi wewnętrznymi komponentami są uważane za spektrum liniowe. Z reguły jest to zestaw kolumn o różnych wysokościach (to znaczy intensywność) przy odpowiednich długościach fal. Istnieją jednak inne typy widm, które nazywane są paskami: każda linia ma szerokie, niewyraźne krawędzie.

Błękitne niebo

Pytanie o to, dlaczego niebo jest niebieskie, a każde wiercenie pyta o cztery lata. Odpowiedź jest prosta i złożona w tym samym czasie: ma taki kolor, ponieważ mikrowibracje (zwane fluktuacjami) atmosfery ziemskiej z całego widma słonecznego rozpraszają tylko odpowiedni obszar długości fali. Wszystko inne jest absorbowane (w większym stopniu) lub odbijane.

To jest kolejne kryterium. Oznacza to, że istnieją widma absorpcji, emisji i rozpraszania. Badanie każdego daje wyniki. Ale podstawowe informacje o substancji są przenoszone przez różne rodzaje widm emisji. Dają jednoznaczną odpowiedź na pytanie, co iw jakiej ilości występuje w badanej substancji. Dwa inne typy pokaże złożoność struktury i sposoby interakcji jej poszczególnych części ze sobą.

Kamień księżycowy

Za to, co i jakie spektrum odpowiedzialne, pokażemy na przykładzie bruku sprowadzonego z Księżyca. Jeśli dzięki różnym manipulacjom, aby uzyskać kamień lśniący, powstałe spektrum jednoznacznie wskaże, które elementy chemiczne układu Mendelejewa są w nim. Inne procedury są w stanie wyodrębnić z tych samych widm stężenie wykrytych pierwiastków. Jednak ciało stałe i jego właściwości określa nie tylko to, z czego się składa, ale także, w jaki sposób te oddzielne części elementarne są położone względem siebie. Klasycznym przykładem jest grafit i diament. W obu przypadkach jest to węgiel natywny. Ale atomy są połączone na różne sposoby - otrzymujemy bardzo miękkie i najtwardsze naturalne materiały. Dlaczego natywny? Ponieważ to także podstawa życia. Nawiasem mówiąc, oprócz wspomnianych form, istnieją także fulereny i nanorurki, a ostatnio odkryto grafen, za który naukowcy otrzymali Nagrodę Nobla. Jednak w tym ostatnim przypadku warto zastrzec, że substancja jest dwuwymiarowa, co znacząco zmienia cały pomysł cienkich warstw substancji. Spektroskopia rozpraszająca opisze więc strukturę substancji stałej, jej minerałów. Na przykład linie Ramana (jeśli poprawnie zinterpretowane) do kilku komórek elementarnych określają strukturę kryształu. Ale analiza krawędzi absorpcji, a raczej jej szczegółów: kąt nachylenia, obecność anomalii w postaci odchylenia od formy liniowej, pomaga znaleźć stopień harmonii tej struktury, to znaczy pokazać, które kryształy w kamieniu z księżyca są klarowne, a substancja jest prawie amorficzna?

Według tych danych eksperci obliczają pochodzenie substancji z kamienia, a także metamorfozę tworzących ją skał.

Świat cyfrowy

Nowoczesność jest nie do pomyślenia bez technologii cyfrowej. I, co najważniejsze, nie szybkość procesorów ani liczba gigabajtów pamięci RAM, ale szyfrowanie sygnału. Oczywiście jest to szczególnie ważne w tych obszarach, w których potrzebna jest poufność - w bankowości, komunikacji osobistej przez Internet. Ale nawet proste nagranie filmu na dysk jest szyfrowane. W końcu laser spala nie obrazy, ale zer i jedynek. Osoby pracujące nad tworzeniem i przetwarzaniem zdjęć wiedzą, ile "waży" obraz w oryginalnym formacie Raw. Dla niewtajemniczonych odkryj sekret: dużo. Ponieważ każdy piksel ma swój własny odcień i światło. Ale jpeg, tiff lub nawet bmp, które są nam znane, zajmują o wiele mniej miejsca na nośnikach pamięci, podczas gdy jakość obrazu jest równie dobra.

Więc jaki jest sekret? Odpowiedzią są rodzaje widm sygnału i opcje jego kompresji. Fourier udowodnił, że każdy sygnał może zostać rozłożony na szereg funkcji z dostatecznie wysoką dokładnością. W związku z tym każdy piksel zwykłych formatów zdjęć nie wyświetla bezpośrednio ustalonej farby, ale widmo sygnału. Niektóre formaty wideo nie używają Fouriera, ale przekształcają falkę, aby odcyfrować małe fragmenty zer i jedynek w określonym obrazie. Tak więc, utrata bardzo małej (mniej niż jeden procent) części obrazu może znacznie, czasami sto razy, zmniejszyć ilość miejsca zajmowanego na dysku lub karcie flash.