Widmo liniowe

Widmo alfa izotopów plutonu ²⁴² Pu, ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu i ²³⁸ Pu

Widmo linia jest fizycznym widmo , który wykazuje rozdzielenia ( dyskretne ) punktów o zwiększonej intensywności, tak zwane linie widmowe . W pewnych okolicznościach punkty te mogą pojawiać się obok lub nakładać się na ciągłe komponenty .

Widma światła mogą wykazywać linie absorpcyjne lub emisyjne . Również cząstka może mieć widmo liniowe; cząstki mają wówczas dyskretne energie kinetyczne , jak ma to miejsce w przypadku promieniowania alfa .

Widmo niskociśnieniowej lampy rtęciowej. Górny obraz z 256-pikselowym czujnikiem liniowym . Dolne ujęcie aparatem

Pochodzenie linii w widmach świetlnych i rentgenowskich

Każdy materiał i każdy atom lub cząsteczka ma charakterystyczne, dyskretne poziomy energii, na których elektrony mogą „pozostać”. Przejście z jednego do drugiego poziomu energii następuje poprzez absorpcję (przejście ze stanu niższego do wyższego) lub emisję (przejście ze stanu wyższego do niższego) fotonu wraz z energią

${\ Displaystyle E = h \ cdot \ nu}$

(z częstotliwością  promieniowania i kwantem działania Plancka ). Różnica energii między poziomami energii odpowiada dokładnie energii fotonu, a energia fotonu wraz z prędkością światła określa jego długość fali ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle h}$${\ displaystyle c}$

${\ Displaystyle \ lambda = {\ Frac {C} {\ nu}}}$.

Ze wszystkich możliwych stanów energetycznych materiału tylko kilka par stanów energii jest ogólnie preferowanymi absorbentami lub emiterami.

Jeśli materiał znajduje się pomiędzy źródłem promieniowania o widmie ciągłym a spektrometrem (np. Do pomiaru widma), to absorbuje on fotony o tych energiach, które są nadawane przez stany energetyczne materiału. W obserwowanym widmie źródła brakuje wtedy zaabsorbowanych fotonów; powoduje to pojawienie się ciemnych linii absorpcyjnych.

Podekscytowany atom lub cząsteczka po krótkim czasie powraca do stanu o niższej energii. Emitowany jest foton, którego energia odpowiada różnicy energii między wyższym a niższym stanem energetycznym. Jeśli obserwujesz ten materiał z boku, tj. Bez widocznego źródła promieniowania, te fotony o określonej energii (a tym samym długości fali) pojawiają się jako linie emisyjne w widmie.

Pozyskiwanie informacji z widm liniowych

Widma liniowe atomów były ważnym źródłem informacji przy odkrywaniu mechaniki kwantowej . Szczególnie proste widmo atomu wodoru dało początek modelowi atomowemu Bohra . Bardziej szczegółowe badania widm wodoru pokazały później, że ten model atomowy nie opisuje odpowiednio rzeczywistości i że teorie Wernera Heisenberga i Wolfganga Pauliego dostarczają bardziej precyzyjnego opisu.

W astronomii widma liniowe są źródłem informacji o wszechświecie. Widma liniowe są charakterystyczne dla odpowiedniego atomu lub cząsteczki, więc pierwiastki występujące w przestrzeni można określić na podstawie światła. W ten sposób, na przykład, hel został po raz pierwszy znaleziony na słońcu, zanim mógł zostać wykryty również na Ziemi.

Widma liniowe mają dalsze zastosowanie w astronomii: ponieważ znane są dokładne energie widm pierwiastków, a pierwiastki można zidentyfikować za pomocą wzoru linii, przesunięcie ku czerwieni jego światła można określić na podstawie widma liniowego gwiazdy . W przypadku bliższych obiektów pozwala to na określenie prędkości obiektu w kierunku linii wzroku za pomocą efektu Dopplera . Fakt ten jest wykorzystywany w poszukiwaniu egzoplanet jako metody pomiaru prędkości radialnej. W przypadku obiektów, które są dalej, przesunięcie ku czerwieni oparte na prawie Hubble'a określa odległość obiektu od ziemi.

Widma liniowe promieniowania gamma pozwalają w wielu przypadkach na wykrycie niewielkich ilości radionuklidu .

Widmo liniowe w akustyce i elektrotechnice

Akustyczne widmo liniowe zawiera jedną lub więcej dyskretnych częstotliwości (DIN 13320). Okresowe procesy dźwiękowe generują widmo liniowe, dźwięk aperiodyczny lub stochastyczny przetwarza widmo ciągłe (widmo pasmowe). Typowym przykładem widma liniowego jest widmo dźwięku lub sygnał okresowy (napięcie lub prąd).

W widmie liniowym każda częstotliwość cząstkowa sygnału jest symbolizowana przez dyskretną linię widmową. Częstotliwość jest reprezentowana przez pozycję na odciętej (osi częstotliwości); długość takiej linii przedstawia amplitudę oscylacji (widmo amplitudy) lub siłę procesu dźwiękowego (widmo poziomów). Skala częstotliwości jest zwykle podzielona logarytmicznie. Każda linia widmowa (stała częstotliwość, stała amplituda) reprezentuje idealną harmoniczną (tj. Sinusoidalną) oscylację (tj. Na przykład napięcie) .Powiązane widmo fazowe przedstawia informacje o fazie (zerowy kąt fazowy), np. B. amplitudy napięcia lub prądu. Amplituda i widmo fazowe razem opisują sygnał odpowiadający jego reprezentacji w dziedzinie czasu.

literatura

• Dieter Meschede: Gerthsen Physics. Wydanie 23, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2006, ISBN 978-3-540-25421-8 .
• Thomas Görne: Inżynieria dźwięku. Wydanie 1, Carl Hanser Verlag, Leipzig 2006, ISBN 3-446-40198-9 .