Widmo — Spectrum

Widmo w tęczy

Widmo (mnogiej widma albo widm ), jest to stan, który nie jest ograniczony do określonego zestawu wartości, ale mogą się zmieniać, bez stopni, w poprzek kontinuum . Słowo to zostało po raz pierwszy użyte naukowo w optyce do opisania tęczy kolorów w świetle widzialnym po przejściu przez pryzmat . W miarę postępu naukowego rozumienia światła, zaczęło ono mieć zastosowanie do całego spektrum elektromagnetycznego . Stało się w ten sposób odwzorowaniem zakresu wielkości (długości fal) na szereg cech, które są postrzeganymi „kolorami tęczy” i innymi właściwościami, które odpowiadają długościom fal leżącym poza spektrum światła widzialnego.

Spectrum jest od tego czasu stosowane przez analogię do tematów poza optyką. Można więc mówić o „ widmo opinii politycznej ”, „widmo działania” leku lub „ widmo autyzmu ”. W tych zastosowaniach wartości w widmie mogą nie być powiązane z precyzyjnie policzalnymi liczbami lub definicjami. Takie zastosowania oznaczają szeroki zakres warunków lub zachowań zgrupowanych i zbadanych pod jednym tytułem, aby ułatwić dyskusję. Nienaukowe użycie terminu widmo jest czasami mylące. Na przykład pojedyncze spektrum lewicowo-prawicowych opinii politycznych nie obejmuje pełnego zakresu przekonań politycznych ludzi. Politolodzy używają różnych systemów dwuosiowych i wieloosiowych, aby dokładniej scharakteryzować opinię polityczną.

W większości nowoczesnych zastosowań widma na obu końcach występuje motyw łączący skrajności. Nie zawsze tak było w przypadku starszych zastosowań.

Etymologia

W języku łacińskim , widma oznacza „obraz” lub „ objawieniami ”, w tym znaczeniu „ widmo ”. Dowody spektralne to świadectwa tego, co zrobiły widma osób nieobecnych fizycznie, lub dowody ze słyszenia o tym, co powiedziały duchy lub zjawy Szatana . Był używany do skazania wielu osób za czary w Salem w stanie Massachusetts pod koniec XVII wieku. Słowo „widmo” [Spektrum] było ściśle używane do określenia upiornego powidoku optycznego przez Goethego w jego Teorii kolorów i Schopenhauera w On Vision and Colors .

Przedrostek „spektro-” służy do tworzenia słów odnoszących się do widm. Na przykład spektrometr to urządzenie służące do rejestrowania widm, a spektroskopia to wykorzystanie spektrometru do analizy chemicznej .

Nauka fizyczna

Schemat ilustrujący widmo elektromagnetyczne

W XVII wieku słowo widmo zostało wprowadzone do optyki przez Izaaka Newtona , odnoszące się do gamy barw obserwowanej przy rozpraszaniu światła białego przez pryzmat . Wkrótce termin ten odnosił się do wykresu natężenia lub mocy światła w funkcji częstotliwości lub długości fali , znanego również jako wykres gęstości widmowej .

Termin widmo został rozszerzony, aby można go było stosować do innych fal , takich jak fale dźwiękowe, które można również zmierzyć jako funkcję częstotliwości, widma częstotliwości i widma mocy sygnału. Termin ten odnosi się teraz do każdego sygnału, który można zmierzyć lub rozłożyć wzdłuż zmiennej ciągłej, takiej jak energia w spektroskopii elektronowej lub stosunek masy do ładunku w spektrometrii mas . Widmo jest również używane w odniesieniu do graficznej reprezentacji sygnału jako funkcji zmiennej zależnej.

Widmo elektromagnetyczne

Widmo elektromagnetyczne odnosi się do pełnego zakresu wszystkich częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, a także do charakterystycznego rozkładu promieniowania elektromagnetycznego emitowanego lub pochłanianego przez ten konkretny obiekt. Urządzenia używane do pomiaru widma elektromagnetycznego nazywane są spektrografem lub spektrometrem . Zakresie widzialnym jest częścią widma elektromagnetycznego, które może być postrzegane przez ludzkie oko . Długość fali światła widzialnego waha się od 390 do 700 nm . Widmo absorpcji z pierwiastka lub związku chemicznego jest widmo częstotliwości i długości fali padającego promieniowania, które są absorbowane przez związek z powodu zmian elektronów z niższego do wyższego stanu energetycznego. Widmo emisyjne dotyczy widma promieniowania emitowanego przez związek z uwagi na przejść elektronowych z większego do mniejszego zużycia energii.

Światło z wielu różnych źródeł zawiera różne kolory, każdy z własną jasnością lub intensywnością. Tęcza lub pryzmat wysyła te składowe kolory w różnych kierunkach, dzięki czemu są one indywidualnie widoczne pod różnymi kątami. Wykres intensywności wykreślony w funkcji częstotliwości (pokazujący jasność każdego koloru) to widmo częstotliwości światła. Kiedy wszystkie widzialne częstotliwości są jednakowe, postrzegany kolor światła jest biały, a widmo jest płaską linią. Dlatego widma płaskie są ogólnie często określane jako białe , niezależnie od tego, czy reprezentują światło, czy inny rodzaj zjawiska falowego (na przykład dźwięk lub wibracje w konstrukcji).

W radiu i telekomunikacji widmo częstotliwości może być dzielone przez wielu różnych nadawców. Widmo radiowe jest częścią widma elektromagnetycznego odpowiadającego niższych częstotliwości poniżej 300 GHz, co odpowiada długości fali dłużej niż około 1 mm. Do mikrofalowego odpowiada widma dla częstotliwości od 300 MHz (0.3  GHz ) i 300 GHz i długości od jednego metra i jednego milimetra. Każda stacja radiowa i telewizyjna nadaje falę w wyznaczonym zakresie częstotliwości, zwanym kanałem . Gdy obecnych jest wielu nadawców, widmo radiowe składa się z sumy wszystkich poszczególnych kanałów, z których każdy niesie oddzielne informacje, rozłożone w szerokim spektrum częstotliwości. Każdy konkretny odbiornik radiowy wykryje pojedynczą funkcję amplitudy (napięcia) w funkcji czasu. Radio następnie używa dostrojonego obwodu lub tunera, aby wybrać pojedynczy kanał lub pasmo częstotliwości i demodulować lub dekodować informacje od tego nadawcy. Gdybyśmy zrobili wykres siły każdego kanału w funkcji częstotliwości tunera, byłoby to widmo częstotliwości sygnału antenowego.

W spektroskopii astronomicznej siła, kształt i położenie linii absorpcji i emisji, a także ogólny rozkład energii widmowej kontinuum, ujawniają wiele właściwości obiektów astronomicznych. Klasyfikacja gwiazd to kategoryzacja gwiazd na podstawie ich charakterystycznych widm elektromagnetycznych. Widmowa gęstość strumienia służy do reprezentowania widmo źródło światła, na przykład gwiazdy.

W radiometrii i kolorymetrii (lub bardziej ogólnie w nauce o kolorach ) widmowy rozkład mocy (SPD) źródła światła jest miarą mocy wnoszonej przez każdą częstotliwość lub kolor w źródle światła. Widmo światła jest zwykle mierzone w punktach (często 31) wzdłuż widma widzialnego , w przestrzeni długości fali zamiast przestrzeni częstotliwości, co sprawia, że ​​nie jest to ściśle gęstość widmowa. Niektóre spektrofotometry mogą mierzyć przyrosty o dokładności od jednego do dwóch nanometrów . wartości są używane do obliczania innych specyfikacji, a następnie wykreślane, aby pokazać atrybuty widmowe źródła. Może to być pomocne w analizie charakterystyki kolorów określonego źródła.

Widmo masowe

Widmo masowe Titan „s jonosfery

Wykres liczebności jonów w funkcji stosunku masy do ładunku nazywany jest widmem masowym. Może być wytwarzany przez przyrząd do spektrometru mas . Widmo masowe można wykorzystać do określenia ilości i masy atomów i cząsteczek. Tandemowa spektrometria mas służy do określania struktury molekularnej.

Widmo energetyczne

W fizyce widmo energetyczne cząstki to liczba cząstek lub intensywność wiązki cząstek jako funkcja energii cząstek. Przykłady technik, które wytwarzają spektrum energii są spektroskopii cząstki alfa , spektroskopii strat energii elektronów i masy analizie spektrometrii jonów energii kinetycznej .

Widmo dyskretne

W fizyce, szczególnie w mechanice kwantowej , niektóre operatory różniczkowe mają dyskretne widma z przerwami między wartościami. Typowe przypadki obejmują hamiltonian i operator momentu pędu .

Spektrogram

Spektrogram wokalizacji delfinów

W akustyki , A spektrogram jest graficzne przedstawienie widma częstotliwości dźwięku jako funkcji czasu lub innej zmiennej.

Źródło dźwięku może mieć zmieszane wiele różnych częstotliwości. Muzyczne tonu jest barwa charakteryzuje się spektrum harmonicznego . Dźwięk w naszym otoczeniu, który nazywamy hałasem, obejmuje wiele różnych częstotliwości. Kiedy sygnał dźwiękowy zawiera mieszankę wszystkich słyszalnych częstotliwości, równomiernie rozłożonych w widmie audio, nazywa się to białym szumem .

Analizator widma jest narzędziem, które może być wykorzystane do przekształcenia falę dźwiękową o nuty do wizualnego wyświetlania częstotliwości składowych. Ten wizualny wyświetlacz nazywany jest spektrogramem akustycznym . Oparte na oprogramowaniu analizatory widma dźwięku są dostępne po niskich kosztach, zapewniając łatwy dostęp nie tylko profesjonalistom z branży, ale także naukowcom, studentom i hobbystom . Spektrogram akustyczny generowany przez analizator widma zapewnia akustyczną sygnaturę nuty muzycznej. Oprócz ujawnienia częstotliwości podstawowej i jej alikwotów, spektrogram jest również przydatny do analizy tempa ataku , zaniku , podtrzymania i uwalniania nuty muzycznej.

Nauki biologiczne

Spektrum działania antybiotyków jest elementem klasyfikacji antybiotyków . Szerokie spektrum antybiotyk jest aktywny w stosunku do szerokiego zakresu bakterii, podczas gdy antybiotyk wąskie spektrum działania jest skuteczny wobec określonych rodzin bakterii. Przykładem powszechnie stosowanego antybiotyku o szerokim spektrum działania jest ampicylina . Przykład wąskim spektrum antybiotyku jest dikloksacylina , która działa na beta-laktamazy produkującego Gram-dodatnich bakterii, takich jak Staphylococcus aureus .

W psychiatrii podejście spektrum wykorzystuje termin spektrum do opisania szeregu powiązanych stanów, czasami również obejmując pojedyncze objawy i cechy . Na przykład spektrum autyzmu opisuje szereg schorzeń klasyfikowanych jako zaburzenia neurorozwojowe .

Matematyka

W matematyce The widmo macierzy jest multiset z wartości własnych macierzy.

W analizie funkcjonalnej pojęcie widma operatora ograniczonego jest uogólnieniem pojęcia wartości własnej dla macierzy.

W algebraicznej topologii , A widmo Przedmiotem reprezentujących uogólnioną teorię kohomologii .

Nauki społeczne

Nolan wykres widma politycznych za pomocą ( red Lewicowość i niebieski rightism ) kodującą

W naukach społecznych , widmo gospodarczej służy do wskazania zakresu klasy społecznej wzdłuż jakiegoś wskaźnika bogactwa lub dochodu. W naukach politycznych termin spektrum polityczne odnosi się do systemu klasyfikacji stanowisk politycznych w jednym lub kilku wymiarach, na przykład w zakresie obejmującym prawicę i lewicę.

Bibliografia