Tipi di spettri in fisica

L'articolo parla della definizione e dei tipi di spettro, copre i campi di applicazione della spettroscopia e descrive anche lo studio di una sostanza solida sconosciuta e i tipi di spettri utilizzati per questo.

Cos'è uno spettro?

In generale, in questa forma, questa domanda incoraggia il lettore a ricordare le lezioni di fisica e formule infinite. Tuttavia, questo concetto copre una varietà molto più ampia e va oltre il curriculum scolastico. Quindi, lo spettro è la distribuzione di valori di una certa quantità (a volte un concetto). La quantità, ovviamente, implica spesso una massa specifica, energia, lunghezza d'onda. Ma ci sono distribuzioni completamente diverse. Ad esempio, una donna può cucinare due piatti: questo è il suo spettro culinario. Oppure un uomo può bere caffè, composta, tè, ma non accetta alcol, il che significa che la sua gamma di bevande è limitata. Cioè, non ci sono completamente indipendenti tipi di scienza spettri. La fisica negli esempi sopra non ha alcun ruolo.

Scala elettromagnetica

Tuttavia, molto spesso la gente sente questo concetto quando si tratta di scienza (in particolare, la scala elettromagnetica). Da dove vengono onde elettromagnetiche? Il meccanismo stesso del loro verificarsi è ancora un mistero. In generale, l'area non è particelle, ma i campi sono molto misteriosi. Tuttavia, è noto che i campi elettromagnetici (e quindi le onde) sorgono in presenza di una carica che si muove nello spazio. E a seconda di cosa è e come si muove, diversi tipi di radiazioni appaiono sulla scala elettromagnetica. Lo spettro in questo caso viene considerato in base alla lunghezza d'onda. Ricordiamo che questo termine si riferisce alla distanza minima tra fasi identiche di perturbazioni adiacenti (se più semplice, tra massimi o minimi che si susseguono l'un l'altro). Le lunghezze d'onda maggiori hanno onde radio, la più piccola radiazione gamma. Ciò che l'occhio umano vede è solo una piccola parte dell'intero intervallo e si trova più vicino all'inizio della scala. Pertanto, i tipi di spettri differiscono principalmente nella lunghezza d'onda o nella frequenza.

spettroscopia

La parte cognitiva di questo articolo descrive alcuni concetti di base. Tuttavia, il più importante in qualsiasi studio è la sua rilevanza.

In altre parole: lo scopo. Per questa parte, tutti i tipi di spettri stanno conducendo. Sono usati ovunque: dalla scienza forense alla creazione di nuove sostanze, dalla biologia allo spazio interstellare. La scienza, che si concentra su questo concetto fisico, come probabilmente il lettore ha già capito, si chiama spettroscopia. Al momento, i tipi di spettri (rispettivamente l'analisi spettrale) sono contraddistinti da diversi criteri.

Tipi di spettri

Come accennato, il primo criterio è la lunghezza d'onda. Ricordiamo che la frequenza dell'onda è inversamente proporzionale alla lunghezza - questi concetti sono continuamente connessi. In accordo con le aree della scala elettromagnetica, ci sono spettri radiofonici, ultravioletti, visibili, infrarossi, raggi X. Il secondo criterio è la geometria dell'esperimento. La rimozione per la riflessione e lo spettro di trasmissione può essere fondamentalmente diversa.

L'analisi delle differenze può dire molto sulla sostanza studiata. Ad esempio, le conclusioni sulla composizione e la densità degli anelli di Saturno sono state fatte in questo modo.

Linee e strisce

La battuta su un cavallo sferico nel vuoto è solo una mezza barzelletta. Il cinquanta per cento, se non la maggior parte, dei concetti fisici in natura non esistono nella loro forma pura. Pertanto, il seguente criterio, che separa i tipi di spettri, è condizionale. Un atomo (o una molecola) ideale di materia nel vuoto assoluto darà la distribuzione di segnali elettromagnetici, costituiti da linee sottili. Queste condizioni sono impraticabili, ma tuttavia bande molto strette con indistinguibili all'interno di singoli componenti sono considerate uno spettro di linee. Di regola, è un insieme di colonne di altezze diverse (significa intensità) a corrispondenti lunghezze d'onda. Tuttavia, ci sono altri tipi di spettri, che sono chiamati a banda: ogni linea ha bordi larghi e sfocati.

Cielo blu

La domanda sul perché il cielo è blu, ogni folletto chiede quattro anni. La risposta è allo stesso tempo semplice e complessa: ha un tale colore, perché le microvibrazioni (chiamate fluttuazioni) dell'atmosfera terrestre dell'intero spettro solare diffondono solo la corrispondente regione di lunghezza d'onda. Tutto il resto viene assorbito (in misura maggiore) o riflesso.

Questo è un altro criterio. Cioè, ci sono spettri di assorbimento, emissione e dispersione. Ogni ricerca dà i suoi risultati. Ma le informazioni di base sulla sostanza sono trasportate da diversi tipi di spettri di emissione. Forniscono una risposta univoca su cosa e in quale quantità è presente nella sostanza in esame. Altri due tipi mostreranno la complessità della struttura e le modalità di interazione delle sue singole parti l'una con l'altra.

pietra di luna

Per cosa e quale spettro è responsabile, mostreremo sull'esempio di un ciottolo portato dalla Luna. Se, attraverso varie manipolazioni, per far brillare una pietra, lo spettro risultante mostrerà inequivocabilmente quali sono gli elementi chimici del sistema Mendeleev. Altre procedure sono in grado di estrarre dallo stesso spettro la concentrazione di elementi rilevati. Tuttavia, un corpo solido e le sue proprietà sono determinate non solo da ciò in cui consiste, ma anche dal modo in cui queste parti elementari separate si trovano l'una rispetto all'altra. Un classico esempio è la grafite e il diamante. In entrambi i casi, è carbonio nativo. Ma gli atomi sono collegati in modi diversi - e otteniamo materiali naturali molto morbidi e duri. Perché nativo? Perché è anche la base della vita. Tra l'altro, oltre alle forme citate, ci sono anche fullereni e nanotubi e grafene scoperto di recente, per il quale gli scienziati hanno ricevuto il premio Nobel. Tuttavia, in quest'ultimo caso, vale la pena di fare una riserva che la sostanza sia bidimensionale, questo cambia in modo significativo l'intera idea di strati sottili di sostanze. Quindi, la spettroscopia di scattering parlerà della struttura di una sostanza solida, dei suoi minerali. Ad esempio, le linee Raman (se correttamente interpretate) fino a più celle unitarie determinano la struttura di un cristallo. Ma l'analisi del margine di assorbimento, o meglio dei suoi dettagli: l'angolo di inclinazione, la presenza di anomalie sotto forma di deviazione dalla forma lineare, aiuta a trovare il grado di armonia di questa struttura, cioè a mostrare quali cristalli nella pietra dalla luna sono chiari o la sostanza è quasi amorfa?

Secondo questi dati, gli esperti calcolano l'origine della sostanza della pietra, così come la metamorfosi delle rocce che la compongono.

Mondo digitale

La modernità è impensabile senza la tecnologia digitale. E, soprattutto, non la velocità dei processori o il numero di gigabyte di RAM, ma la crittografia del segnale. Naturalmente, questo è particolarmente importante per quelle aree in cui è necessaria la riservatezza - nel settore bancario, comunicazione personale via Internet. Ma anche la semplice registrazione di un film su disco è crittografia. Dopo tutto, il laser brucia non immagini, ma zeri e uno. Le persone che lavorano nel campo della creazione e dell'elaborazione delle foto sanno quanto l'immagine "pesa" nel formato originale Raw. Per chi non lo sapesse, svela il segreto: molto. Perché ogni pixel ha la propria ombra e luce. Ma jpeg, tiff o anche bmp, che ci sono familiari, occupano molto meno spazio sui supporti di memorizzazione, mentre la qualità visibile è altrettanto buona.

Quindi qual è il segreto? La risposta è il tipo di spettri del segnale e le opzioni per la sua compressione. Fourier ha dimostrato che qualsiasi segnale può essere scomposto in un numero di funzioni con una precisione sufficientemente elevata. Pertanto, ogni pixel dei soliti formati di foto non visualizza la vernice fissata direttamente, ma lo spettro del segnale. Alcuni formati video non utilizzano Fourier, ma la wavelet si trasforma per decodificare piccole porzioni di uni e zeri in un'immagine specifica. Pertanto, la perdita di una parte molto piccola (meno dell'uno per cento) dell'immagine può ridurre in modo significativo, a volte un centinaio di volte, la quantità di spazio occupato sul disco o sulla scheda flash.