Linjespektrum

Alfa-spektrum av plutoniumisotoperna ²⁴² Pu, ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu och ²³⁸ Pu

Ett linjespektrum är ett fysiskt spektrum som visar separata ( diskreta ) punkter med ökad intensitet, så kallade spektrallinjer . Under vissa omständigheter kan dessa punkter visas bredvid eller överlagras med kontinuerliga komponenter .

Ljusspektra kan visa absorptions- eller emissionslinjer . Också partikel kan ha ett linjespektrum; partiklarna har då diskreta kinetiska energier , som är fallet med alfastrålning .

Spektrum av en lågtryckskvicksilverånglampa. Övre bild med en 256-pixel linjesensor . Lägre skott med en kamera

Linjernas ursprung i ljus- och röntgenspektra

Varje material och varje atom eller molekyl har karakteristiska, diskreta energinivåer där elektroner kan "stanna". Övergången från en till en annan energinivå sker genom absorption (övergång från lägre till högre tillstånd) eller emission (övergång från högre till lägre tillstånd) av en foton med energin

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

(med frekvensen av  strålningen och Plancks verkningsmängd ). Energidifferensen mellan energinivåerna motsvarar exakt fotons energi, och en fotonas energi tillsammans med ljusets hastighet bestämmer dess våglängd ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle h}$${\ displaystyle c}$

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {c} {\ nu}}}$.

Av alla möjliga energitillstånd i ett material är endast ett par par energitillstånd i allmänhet föredragna absorberare eller emittrar.

Om ett material är beläget mellan en strålningskälla med ett kontinuerligt spektrum och en spektrometer (t.ex. för mätning av spektrumet) absorberar det fotoner av de energier som ges av energitillstånden i materialet. De absorberade fotonerna saknas sedan i källans observerade spektrum; detta medför att mörka absorptionslinjer dyker upp.

En upphetsad atom eller molekyl återgår till ett lägre energitillstånd efter en kort tidsperiod. En foton avges, vars energi motsvarar energidifferensen mellan det högre och lägre energitillståndet. Om du observerar detta material från sidan, dvs utan att strålkällan är synlig, visas dessa fotoner med en viss energi (och därmed våglängd) som emissionslinjer i spektrumet.

Få information från linjespektra

Linjespektra av atomer var en viktig informationskälla för upptäckten av kvantmekanik . Det särskilt enkla spektrumet av väteatomen gav upphov till Bohrs atommodell . Mer detaljerade undersökningar av vätespektra gjorde det senare tydligt att denna atommodell inte beskriver verkligheten på ett adekvat sätt och att teorierna om Werner Heisenberg och Wolfgang Pauli ger en mer exakt beskrivning.

I astronomi är linjespektra en källa till information om universum. Linjespektra är karakteristiska för respektive atom eller molekyl, så de element som förekommer i rymden kan bestämmas från ljuset. På detta sätt hittades till exempel först helium på solen innan det också kunde upptäckas på jorden.

Linjespektra har en ytterligare tillämpning i astronomi: Eftersom de exakta energierna för elementens spektra är kända och elementen kan identifieras med hjälp av linjemönstret, kan den röda förskjutningen av dess ljus bestämmas från linjens spektrum för en stjärna . För närmare objekt tillåter detta objektets hastighet i riktning mot siktlinjen att bestämmas med Doppler-effekten . Detta faktum används i sökandet efter exoplaneter som en radiell hastighetsmetod. För objekt som är längre bort ger rödförskjutningen baserat på Hubbles lag avståndet från objektet från jorden.

Linjespektren för gammastrålningen tillåter detektering av små mängder av en radionuklid i många fall .

Linjespektrum inom akustik och elektroteknik

Ett akustiskt linjespektrum innehåller en eller flera diskreta frekvenser (DIN 13320). Periodiska ljudprocesser genererar ett linjespektrum, aperiodiskt eller stokastiskt ljud bearbetar ett kontinuerligt spektrum (bandspektrum). Ett typiskt exempel på ett linjespektrum är ljudspektrumet eller en periodisk signal (spänning eller ström).

Med linjespektrumet symboliseras varje partiell frekvens av signalen med en diskret spektral linje. Frekvensen representeras av positionen på abscissan (frekvensaxeln); längden på en sådan linje representerar amplituden för oscillationen (amplitudspektrum) eller styrkan hos en ljudprocess (nivåspektrum). Frekvensskalan delas vanligtvis logaritmiskt. Varje spektrallinje (konstant frekvens, konstant amplitud) representerar en idealisk harmonisk (dvs sinusformad) svängning (dvs t.ex. spänning). Det associerade fasspektrumet representerar fasinformationen (nollfasvinkel), t.ex. B. amplituderna för en spänning eller en ström. Amplituden och fasspektrumet beskriver tillsammans en signal motsvarande dess tidsdomänrepresentation.

litteratur

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