Sa stanovišta urođenih sposobnosti percepcije informacija iz okoline, osoba je prilično patetično stvorenje. Naš njuh se ne može porediti sa instinktom naše braće iz manje klase sisara - polarni medvjedi, na primer, mogu namirisati hranu sa kilometar i po udaljenosti, a psi nekih rasa u stanju su da pokupe četiri- dan star trag. Naš slušni aparat nije prilagođen primanju čitavog opsega akustičnih vibracija – ne možemo direktno čuti razgovore slonova u infrazvuku, a u ultrazvučnom opsegu nisu nam dostupni ni razgovori delfina, ni eholokacijski signali slepih miševa.

I za čovječanstvo uopće nije važna situacija s percepcijom elektromagnetnog zračenja - direktno osjećamo samo mali dio njih, koji nazivamo vidljivo svetlo. U toku evolucije, čovek, kao i mnogi drugi sisari, izgubili su sposobnost da prate infracrveni trag plena, poput zmija; ili vidjeti ultraljubičasto, poput insekata, ptica, riba i nekih sisara.

Iako ljudsko uho može osjetiti zvučni pritisak u širokom rasponu od 2*10-5 Pa (prag sluha) do 20 Pa (prag bola), relativno smo loši u razlikovanju zvukova po glasnoći (nije uzalud skala snage akustične vibracije su logaritamske!). Ali priroda nas je obdarila sposobnošću da vrlo precizno odredimo razliku u frekvencijama dolaznih akustičnih signala, što je zauzvrat odigralo odlučujuću ulogu u razvoju čovjeka kao gospodara planete. To se odnosi na razvoj govora i njegovu upotrebu za planiranje i organiziranje lova na čopor, zaštitu od prirodnih neprijatelja ili neprijateljskih grupa ljudi.

Dodjeljivanje nekim konceptima stabilne kombinacije zvukova artikuliranih razvijenim aparatom glasne žice, naši preci su prenosili svoje želje i misli drugima. Analizirajući govor drugih po sluhu, oni su, zauzvrat, razumjeli želje i misli drugih ljudi. Koordinirajući napore svojih članova u vremenu i prostoru, jato primitivnih ljudi pretvorilo se u ljudsku zajednicu, pa čak i u super predatora koji lovi najveću kopnenu životinju - mamuta.

Razvijeni govor se koristio ne samo za komunikaciju unutar grupe ljudi, već i za komunikaciju među vrstama sa pripitomljenim životinjama – granični koliji, na primjer, prema istraživanju naučnika sa Univerziteta Britanske Kolumbije, mogu zapamtiti preko 30 komandi i precizno ih izvršiti gotovo prvi put. Slični signalni sistemi su rudimentarni kod gotovo svih čopornih životinja, bez obzira na klasu i stanište. Na primjer, ptice (korvide) i sisari: vukovi, hijene, psi i delfini, ne računajući sve vrste majmuna koji vode čoporski način života. Ali samo je čovjek koristio govor kao sredstvo za prenošenje informacija sljedećoj generaciji ljudi, što je doprinijelo akumulaciji znanja o svijetu oko sebe.

Epohalni događaj u razvoju čovječanstva u modernom obliku je izum pisanja - hijeroglifa u drevne Kine i drevni egipat, klinopisom u Mezopotamiji (Mezopotamiji) i abecednim u staroj Fenikiji. Evropski narodi još uvijek koriste potonje, iako su se, uzastopno kroz staru Grčku i Rim, natpisi feničanskih slova - osebujnih simbola zvukova - donekle promijenili.

Još jedan epohalni događaj u istoriji čovečanstva bio je pronalazak štamparstva. To je omogućilo širokom spektru ljudi da se pridruže naučna saznanja, koji je ranije bio dostupan samo uskom krugu asketa i mislilaca. To nije sporo uticalo na tempo naučnog i tehnološkog napretka.

Otkrića i izumi napravljeni u protekla četiri stoljeća doslovno su preokrenuli naše živote naglavačke i postavili temelje za moderne tehnologije prijenos i obradu analognih i digitalnih signala. Tome je umnogome doprinio razvoj matematičke misli – razvijeni dijelovi matematičke analize, teorije polja i još mnogo toga dali su naučnicima i inženjerima moćan alat za predviđanje, istraživanje i proračun tehničkih uređaja i instalacija za fizičke eksperimente. Jedan od ovih alata bila je spektralna analiza fizičkih signala i veličina.

Spektar zvuka violine, nota G druge oktave (G5); spektar jasno pokazuje da se zvuk violine sastoji od osnovne frekvencije od oko 784 Hz i niza prizvuka čija amplituda opada sa povećanjem frekvencije; ako se prizvuci izrezuju, ostavljajući samo zvuk osnovne frekvencije, tada će se zvuk violine pretvoriti u zvuk viljuške za podešavanje ili generatora sinusoidne frekvencije

Otkriće mogućnosti prijenosa spektra akustičnih oscilacija u područje viših frekvencija elektromagnetskih oscilacija (modulacija) i njegova inverzna transformacija (demodulacija) dalo je snažan poticaj stvaranju i razvoju novih industrija: komunikacijske tehnologije (uključujući mobilne komunikacije). ), komercijalno i primijenjeno radio i televizija.

Sasvim prirodno, vojska nije mogla propustiti tako sjajnu priliku da poveća odbrambenu sposobnost svojih zemalja. Postoje novi načini za otkrivanje zračnih i morskih ciljeva mnogo prije njihovog približavanja, na osnovu radara. komanda kopnenih snaga, Zračne snage a flota putem radija povećala je efikasnost borbenih dejstava uopšte. Danas je teško zamisliti modernu vojsku koja nije opremljena radarskim (radarskim) instalacijama, komunikacijskom opremom, radio i elektroničkom obavještajnom i opremom za elektronsko ratovanje (EW).

Istorijat

Istorijski gledano, koncept spektra je uveo izvanredni engleski fizičar Sir Isaac Newton tokom eksperimenata na razgradnji bijele svjetlosti na komponente pomoću trokutaste optičke prizme. Rezultate eksperimenata predstavio je u temeljnom djelu "Optica", objavljenom 1704. godine. Iako je mnogo prije nego što je Newton uveo termin "spektar" u naučnu upotrebu, čovječanstvo je znalo za njegovu manifestaciju u obliku poznate duge.

Kasnije, kako se razvijala teorija elektromagnetizma, ovaj koncept je proširen na čitav raspon elektromagnetnog zračenja. Pored koncepta spektra oscilacija, gdje je frekvencija parametar, a koji se široko koristi u radiotehnici i akustici, u fizici postoji i koncept energetskog spektra (npr. elementarne čestice), pri čemu je parametar energija ovih čestica dobijena tokom nuklearne reakcije ili na neki drugi način.

Drugi primjer energetskog spektra je raspodjela stanja ( kinetičke energije) molekule gasa za raznim uslovima, koje se nazivaju statistikama ili distribucijama Maxwell-Boltzmanna, Bose-Einsteina ili Fermi-Diraca.

Pioniri u proučavanju spektra plamena obojenog parama metalnih soli bili su njemački fizičar Gustav Robert Kirchhoff i hemičar Robert Wilhelm Bunsen. Pokazalo se da je spektralna analiza moćan alat za proučavanje prirode i fizike optičkih pojava povezanih sa apsorpcijom i emisijom svjetlosti. Još 1814. godine njemački fizičar Josef Fraunhofer otkrio je i opisao preko 500 tamnih linija u spektru sunčeve svjetlosti, ali nije mogao objasniti prirodu njihovog nastanka. Sada se ove apsorpcione linije nazivaju Fraunhoferove linije.

Godine 1859. Kirchhoff je objavio članak "O Fraunhoferovim linijama", u kojem je objasnio razlog za pojavu Fraunhoferovih linija; ali glavni zaključak članka bila je definicija hemijski sastav atmosfera sunca. Tako je dokazano prisustvo vodonika, gvožđa, hroma, kalcijuma, natrijuma i drugih elemenata u atmosferi Sunca. Godine 1868 spektrometrijske metode nezavisno jedan od drugog, francuski astronom Pierre Jules Cesar Jansen i njegov engleski kolega Sir Norman Lockyer istovremeno su otkrili jarko žutu liniju na spektru Sunca koja se ne poklapa ni sa jednom poznati element. Tako je otkriven hemijski element helijum (po starogrčkom bogu Sunca - Heliosu).

Fourierovi redovi i integrali, nazvani po francuskom matematičaru Jean Baptiste Joseph Fourieru, koji ih je razvio u toku proučavanja teorije prijenosa topline, postali su matematička osnova za proučavanje spektra vibracija i spektra općenito. Fourierove transformacije su izuzetno moćan alat u raznim oblastima nauke: astronomija, akustika, radiotehnika i druge.

Proučavanje spektra, kao vidljivih vrijednosti vrijednosti funkcija stanja određenog sistema, pokazalo se vrlo plodonosnim. Osnivač kvantna fizika Njemački naučnik Max Planck došao je na ideju kvanta radeći na teoriji spektra crnog tijela. Engleski fizičari Sir Joseph John Thomson i Francis Aston su 1913. godine došli do dokaza o postojanju atomskih izotopa proučavajući masene spektre, a 1919. godine, koristeći prvi maseni spektrometar koji je napravio, Aston je uspio otkriti dva stabilna izotopa neona Ne, koji su postali prvi od 213 izotopa različitih atoma koje je otkrio ovaj naučnik.

Od sredine prošlog veka, zbog naglog razvoja radio elektronike široku upotrebu u raznim naukama dobijene su radiospektroskopske metode istraživanja: prije svega nuklearna magnetna rezonanca (NMR), elektronska paramagnetna rezonanca (EPR), feromagnetna rezonanca (FR), antiferomagnetna rezonanca (AFR) i druge.

Definicija spektra

Spektar u fizici je raspodjela vrijednosti fizičke veličine (energije, frekvencije ili mase) date na grafički, analitički ili tabelarni način. Najčešće se pod spektrom podrazumijeva elektromagnetski spektar – raspodjela energije ili snage elektromagnetnog zračenja po frekvencijama ili valnim dužinama.

Količina koja karakterizira signal, zračenje ili vremensku sekvencu je spektralna gustoća snage ili energije. Pokazuje kako je snaga ili energija signala raspoređena po frekvenciji. Kada se mjere signali koji sadrže različite frekvencijske komponente, snaga različitih komponenti frekvencijskog signala bit će različita. Prema tome, dijagram spektralne gustine je dijagram snage u odnosu na frekvenciju. Spektralna gustina snage se obično izražava u vatima po hercu (W/Hz) ili decibelima u milivatu po hercu (dBm/Hz). U opštem slučaju, spektralna gustina snage pokazuje na kojim frekvencijama su promene signala jake, a na kojim male, što može biti korisno za dalju analizu različitih procesa.

Prema prirodi raspodjele vrijednosti fizičke veličine, spektri su diskretni (linearni), kontinuirani (kontinuirani), a mogu biti i kombinacija diskretnih i kontinuiranih spektra.

Primjer linijskih spektra mogu biti spektri elektronskih prijelaza atoma iz pobuđenog stanja u normalno. Primjer kontinuiranog spektra je spektar elektromagnetnog zračenja grijanog tijela čvrsto telo, a primjer kombinovanog spektra su emisioni spektri zvijezda i fluorescentnih lampi. Kontinuirani spektar zagrijane fotosfere zvijezde je superponiran hromosferskim emisijskim i apsorpcionim linijama atoma koji čine hromosferu zvijezde.

Spectra. Fizika pojava

Spectra primjeri

U fizici se takođe razlikuju emisioni spektri (spektri zračenja), spektri adsorpcije (apsorpcioni spektri) i refleksijski spektri (Rayleighovo rasejanje). Razmatrano odvojeno Ramansko rasipanje svjetlost (Ramanov efekat), povezana s neelastičnim rasipanjem optičkog zračenja i dovodi do primjetne promjene frekvencije (ili, što je isto, valne dužine) reflektirane svjetlosti. Ramanova spektroskopija je efikasna metoda hemijske analize koja proučava sastav i strukturu materijala koji se nalaze kako u čvrstoj fazi tako iu tečnoj i gasovitoj fazi supstance koja se proučava.

U spektru kamertona prikazanom na ovoj slici, može se vidjeti da su odmah nakon udara, pored osnovnog harmonika (440 Hz), drugi (880 Hz) i treći (1320 Hz) harmonik prisutni u zvuk, koji brzo nestaje i tada se čuje samo osnovni harmonik. Zvuk se može čuti pritiskom na dugme za reprodukciju na plejeru

Kao što je već spomenuto, emisioni spektri nastaju prije svega zbog prijelaza elektrona vanjskih omotača atoma koji su u pobuđenom stanju, pri čemu se elektroni ovih ljuski vraćaju na niže energetske nivoe koji odgovaraju normalnom stanju. atoma. U tom slučaju se emituje kvant svjetlosti određene frekvencije (valne dužine), a u spektru emisije se pojavljuju karakteristične linije.

Prilikom apsorpcione apsorpcije aktivira se obrnuti mehanizam - hvatajući kvante zračenja određene frekvencije, elektroni vanjskih omotača atoma prelaze u višu nivo energije. U ovom slučaju, odgovarajuće karakteristične tamne linije pojavljuju se u spektru apsorpcije.

Sa Rayleighovim raspršivanjem (elastičnim raspršivanjem), koje se može opisati, a ne kvantna mehanika, apsorpcija i reemisija svjetlosnih kvanta se odvija istovremeno, što uopće ne mijenja spektar upadnog i reflektovanog zračenja.

Akustični spektri

Akustički spektri igraju posebnu ulogu u nauci o zvuku – akustici. Analiza takvih spektra daje ideju o frekvenciji i dinamičkom rasponu akustičnog signala, što je vrlo važno za tehničke primjene.

Na primjer, za siguran prijenos ljudskog glasa u telefoniji, dovoljno je prenijeti zvukove u opsegu od 300-3000 Hz. Zato glasovi poznanika na telefonu zvuče malo drugačije nego u stvarnom životu.

Izum ultrazvučne zviždaljke pripisuje se engleskom naučniku i putniku Francisu Galtonu, u svakom slučaju, on ga je prvi koristio za psihometrijska istraživanja.

Zvukovi općenito, posebno ritmički i harmonični, imaju snažan psihoemocionalni utjecaj. Čak i akustični signali nalik šumu imaju efekta - u akustici se koriste koncepti "bijelog" i "ružičastog" šuma i šumova "druge boje". Spektralna gustina bijelog šuma je ujednačena u cijelom frekventnom opsegu, ružičasti šum, kao i drugi šum u „boji“, razlikuje se od bijelog šuma po svom amplitudno-frekvencijskom spektralnom odzivu.

Pa, moderni vitezovi "ogrtača i bodeža" uopće nisu mogli zanemariti akustični spektar. U početku su koristili trivijalno presretanje telefonskih razgovora. Kao rezultat toga, razvojem radiotehnike, počele su se koristiti metode kodiranja (šifriranja i kodiranja) akustičkih signala prema određenim matematičkim algoritmima kako bi se otežalo njihovo presretanje. Zbog povećanja produktivne računarske snage kako stacionarnih tako i prijenosnih kompjuterskih uređaja, sada stare metode šifriranja akustičnog signala blijede u zaborav, zamjenjujući ih modernijim matematičkim metodama šifriranja.

Elektromagnetski spektri

Proučavanje elektromagnetnih spektra dalo je radioastronomima nevjerovatan alat za analizu fizičke veličine. Uhvatili su odjeke Velikog praska, koji je označio početak našeg Univerzuma, u obliku kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja i poboljšali ponašanje zvijezda koje se nalaze na glavnoj sekvenci. Klasifikacija zvijezda se vrši prema spektru i, hvala Bogu, naša svjetiljka - žuti patuljak Sunce klase G (G2V) - ima prilično miran karakter, osim nekih perioda aktivnosti. Sa razvojem osjetljivosti instrumenata, astrofizičari, pa čak i astrobiolozi sada su u stanju da izvode zaključke o postojanju izvan našeg Solarni sistem planete poput naše Zemlje moguće opcije postojanje života na njima.

Analiza spektra se široko koristi u medicini, hemiji i drugim srodnim naukama. Ne iznenađuju nas kompjuterski obrađene slike fetusa u tijelu trudnice, navikli smo na MRI preglede, a ne plašimo se čak ni operacija na krvnim sudovima ljudskog tijela, čija se vizualizacija zasniva na analiza spektra ultrazvučnog zračenja.

Hemičari koji koriste spektralne metode analize ne mogu dobiti samo predstavu o kompleksu hemijska jedinjenja, ali i za izračunavanje prostornog rasporeda atoma u molekulima.

I, kao i uvijek, elektromagnetski spektri u radio-frekvencijskom i optičkom opsegu nisu promakli pažnji vojnih stručnjaka. Na osnovu svoje analize, vojni obavještajci ne samo da stvaraju ideju o suprotstavljenoj grupi neprijateljskih trupa, već su u stanju odrediti i početak atomskog Armagedona.

Analiza spektra

Kao što je gore prikazano, spektralna analiza, posebno u radio-frekvencijskom i optičkom opsegu, moćan je alat za dobijanje informacija o fizičkoj i informacionoj suštini objekata - uopšte nije važno da li se odnose na stvarno stvarne fizičke objekte ili predstavljaju efemerne spektre. javnog mnijenja dobijenog anketama. Moderna fizička spektralna analiza zasniva se na upoređivanju potpisa – svojevrsnih digitalnih spektralnih potpisa objekata.

Razvojem radarskih metoda, vojni stručnjaci, na osnovu analize spektra reflektovanih signala, mogu ne samo da otkriju zračni cilj i odrede njegov azimut i elevaciju. Vremenom kašnjenja dolaska reflektovanog signala u odnosu na impuls zračenja moguće je odrediti udaljenost do cilja. Na osnovu Doplerovog efekta moguće je izračunati brzinu njegovog kretanja, pa čak i odrediti njegovu vrstu iz signatura (spektra) reflektovanih signala.

Međutim, iste metode se koriste u civilno vazduhoplovstvo. Odličan resurs flyradar24.com vam omogućava da pratite letove aviona skoro u realnom vremenu, dajući mnogo povezanih informacija, kao što su: kurs aviona i njegov tip, visina i brzina leta; vrijeme polijetanja i predviđeno vrijeme dolaska; koliko je ostalo za let pa čak i ime i prezime komandanta aviona. Pomoću kompjuterske grafike, ovaj resurs proizvodi stazu leta, a kada zumirate, čak možete vidjeti polijetanje i slijetanje leta u odgovarajućim trenucima.

Radio-obavještajci, na osnovu fine analize spektra zračenja, čak preuzimaju i utvrđivanje pripadnosti otkrivene radio opreme odgovarajućim neprijateljskim jedinicama.

Spektralna sinteza

Spektralna sinteza signala zasniva se na harmonijskoj analizi francuskog matematičara Fouriera i teoremi ruskog naučnika iz oblasti radiotehnike Kotelnikova, koja, nažalost, u engleskoj tehničkoj literaturi ima drugačiji naziv - Nyquist-Shannon teorema. . Harmonička analiza podrazumeva mogućnost realizacije proizvoljno složenog signala sa dovoljnim stepenom vernosti konačnim skupom harmonijskih komponenti sa različitim parametrima. Ne ulazeći u specifičnosti prezentacije matematičkog materijala, Kotelnikova teorema kaže da je za reprodukciju harmonijskog signala dovoljno uzorkovati iz tog signala dvostruko većom frekvencijom.

Sinteza signala - sinteza spektra čitanja - postala je osnova moderne kompjuterske kriptografije, kreacije savremena muzika pa čak i emulacija stvarnih zračećih objekata sa virtuelnim parnjacima, obmanjujućim sistemima za detekciju neprijatelja koji se koriste u modernom elektronskom ratovanju (EW).

Danas su metode prenosa signala preko zatvorenih komunikacionih kanala usko isprepletene sa metodama prenosa signala sličnih šumu, koji imaju visok stepen otpornosti na smetnje.

Njihovo nabrajanje nije u okviru ovog članka, međutim, moramo vas uvjeriti da, koristeći mobilne komunikacije, u potpunosti koristite transformacije spektra akustičnog signala prema određenim matematičkim algoritmima uz visok stupanj zaštite od dekodiranja.

Neki eksperimenti sa spektrima

U zaključku, izvršimo nekoliko eksperimenata sa optičkim spektrom.

Iskustvo 1. Razgradnja sunčeve svjetlosti i kalibracija jednostavnog domaćeg spektrografa

Ako imate trokutastu optičku prizmu ili stari nepotreban CD ili DVD, možete ponoviti eksperiment Sir Isaaca Newtona o razgradnji sunčeve svjetlosti. Koristit ćemo CD jer je lakše. Potrebna nam je i dijafragma na ulazu u naš spektrograf i cijev od neprozirnog materijala, kao što je karton. Za izradu dijafragme dovoljno je nožem ili skalpelom izrezati prorez na ploči od bilo kojeg optički neprozirnog materijala, na koji zatim zalijepiti par oštrica. Ovaj prorez će igrati ulogu kolimatora. Ploču sa prorezom pričvrstimo na kartonsku cijev dužine oko 20 cm Paralelni snop sunčeve svjetlosti ili drugog izvora svjetlosti koji se dobije nakon kolimatora treba usmjeriti na komad diska koji pričvrstimo na drugi kraj cijevi na ugao od 60-80° prema snopu svjetlosti iz proreza (odabrano eksperimentalno). Drugi kraj zatvorite poklopcem. Da vidite ili fotografišete spektar, potrebno je da izrežete rupu u cevi, kao što je prikazano na slici. Sve, naš spektrograf je spreman. Možemo posmatrati i fotografisati kontinuirani spektar boja sunčeve svetlosti sa glatkim prelazima između boja od ljubičaste do crvene. Tamne Fraunhoferove apsorpcione linije su jasno vidljive u spektru.

Da bismo kalibrirali naš najjednostavniji spektrograf, koristit ćemo tri laserska pokazivača - crveni, zeleni i ljubičasti s valnim dužinama od 670, 532 i 405 nm, respektivno.

Iskustvo 2. Razlaganje svjetlosti iz "bijele" LED diode

Zamijenit ćemo izvor prirodnog svjetla. Kao zamjenu koristimo LED diodu snage zračenja od 5 W s bijelim sjajem. Ovo svjetlo se najčešće dobiva pretvaranjem zračenja plave LED diode pomoću fosfora koji je prekriva u "toplu" ili "hladnu" bijelu svjetlost.

Kada se na izlaze LED-a na ekranu primeni odgovarajući napon, može se posmatrati emisioni spektar sa karakterističnim neujednačenim intenzitetom boje.

Iskustvo 3. Emisioni spektar fluorescentne lampe

Pogledajmo kako izgleda spektar kompaktne fluorescentne lampe sa normalizovanom temperaturom boje od 4100 K. Posmatramo linijski spektar.

Sa stanovišta urođenih sposobnosti percepcije informacija iz okoline, osoba je prilično patetično stvorenje. Naš njuh se ne može porediti sa instinktom naše braće iz manje klase sisara - polarni medvjedi, na primer, mogu namirisati hranu sa kilometar i po udaljenosti, a psi nekih rasa u stanju su da pokupe četiri- dan star trag. Naš slušni aparat nije prilagođen primanju čitavog opsega akustičnih vibracija – ne možemo direktno čuti razgovore slonova u infrazvuku, a u ultrazvučnom opsegu nisu nam dostupni ni razgovori delfina, ni eholokacijski signali slepih miševa.

I za čovječanstvo uopće nije bitna situacija s percepcijom elektromagnetnog zračenja - direktno osjećamo samo mali dio njih, koji nazivamo vidljivom svjetlošću. U toku evolucije, čovek, kao i mnogi drugi sisari, izgubili su sposobnost da prate infracrveni trag plena, poput zmija; ili vidjeti ultraljubičasto, poput insekata, ptica, riba i nekih sisara.

Iako ljudsko uho može osjetiti zvučni pritisak u širokom rasponu od 2*10-5 Pa (prag sluha) do 20 Pa (prag bola), relativno smo loši u razlikovanju zvukova po glasnoći (nije uzalud skala snage akustične vibracije su logaritamske!). Ali priroda nas je obdarila sposobnošću da vrlo precizno odredimo razliku u frekvencijama dolaznih akustičnih signala, što je zauzvrat odigralo odlučujuću ulogu u razvoju čovjeka kao gospodara planete. To se odnosi na razvoj govora i njegovu upotrebu za planiranje i organiziranje lova na čopor, zaštitu od prirodnih neprijatelja ili neprijateljskih grupa ljudi.

Dodijelivši nekim konceptima stabilnu kombinaciju zvukova artikuliranih razvijenim aparatom glasnih žica, naši su preci prenosili svoje želje i misli drugima. Analizirajući govor drugih po sluhu, oni su, zauzvrat, razumjeli želje i misli drugih ljudi. Koordinirajući napore svojih članova u vremenu i prostoru, jato primitivnih ljudi pretvorilo se u ljudsku zajednicu, pa čak i u super predatora koji lovi najveću kopnenu životinju - mamuta.

Razvijeni govor se koristio ne samo za komunikaciju unutar grupe ljudi, već i za komunikaciju među vrstama sa pripitomljenim životinjama – granični koliji, na primjer, prema istraživanju naučnika sa Univerziteta Britanske Kolumbije, mogu zapamtiti preko 30 komandi i precizno ih izvršiti gotovo prvi put. Slični signalni sistemi su rudimentarni kod gotovo svih čopornih životinja, bez obzira na klasu i stanište. Na primjer, ptice (korvide) i sisari: vukovi, hijene, psi i delfini, ne računajući sve vrste majmuna koji vode čoporski način života. Ali samo je čovjek koristio govor kao sredstvo za prenošenje informacija sljedećoj generaciji ljudi, što je doprinijelo akumulaciji znanja o svijetu oko sebe.

Epohalni događaj u razvoju čovječanstva u njegovom modernom obliku bio je pronalazak pisanja - hijeroglifskog u staroj Kini i starom Egiptu, klinastog u Mezopotamiji (Mezopotamiji) i alfabetskog u staroj Feniciji. Evropski narodi još uvijek koriste potonje, iako su se, uzastopno kroz staru Grčku i Rim, natpisi feničanskih slova - osebujnih simbola zvukova - donekle promijenili.

Još jedan epohalni događaj u istoriji čovečanstva bio je pronalazak štamparstva. To je omogućilo širokom krugu ljudi da se pridruže naučnim saznanjima koja su ranije bila dostupna samo uskom krugu asketa i mislilaca. To nije sporo uticalo na tempo naučnog i tehnološkog napretka.

Otkrića i izumi napravljeni u protekla četiri stoljeća doslovno su preokrenuli naše živote i postavili temelje modernim tehnologijama za prijenos i obradu analognih i digitalnih signala. Tome je umnogome doprinio razvoj matematičke misli – razvijeni dijelovi matematičke analize, teorije polja i još mnogo toga dali su naučnicima i inženjerima moćan alat za predviđanje, istraživanje i proračun tehničkih uređaja i instalacija za fizičke eksperimente. Jedan od ovih alata bila je spektralna analiza fizičkih signala i veličina.

Spektar zvuka violine, nota G druge oktave (G5); spektar jasno pokazuje da se zvuk violine sastoji od osnovne frekvencije od oko 784 Hz i niza prizvuka čija amplituda opada sa povećanjem frekvencije; ako se prizvuci izrezuju, ostavljajući samo zvuk osnovne frekvencije, tada će se zvuk violine pretvoriti u zvuk viljuške za podešavanje ili generatora sinusoidne frekvencije

Otkriće mogućnosti prijenosa spektra akustičnih oscilacija u područje viših frekvencija elektromagnetskih oscilacija (modulacija) i njegova inverzna transformacija (demodulacija) dalo je snažan poticaj stvaranju i razvoju novih industrija: komunikacijske tehnologije (uključujući mobilne komunikacije). ), komercijalno i primijenjeno radio i televizija.

Sasvim prirodno, vojska nije mogla propustiti tako sjajnu priliku da poveća odbrambenu sposobnost svojih zemalja. Postoje novi načini za otkrivanje zračnih i morskih ciljeva mnogo prije njihovog približavanja, na osnovu radara. Radio kontrola kopnenih snaga, vazduhoplovstva i mornarice povećala je efikasnost borbenih dejstava u celini. Danas je teško zamisliti modernu vojsku koja nije opremljena radarskim (radarskim) instalacijama, komunikacijskom opremom, radio i elektroničkom obavještajnom i opremom za elektronsko ratovanje (EW).

Istorijat

Istorijski gledano, koncept spektra je uveo izvanredni engleski fizičar Sir Isaac Newton tokom eksperimenata na razgradnji bijele svjetlosti na komponente pomoću trokutaste optičke prizme. Rezultate eksperimenata predstavio je u temeljnom djelu "Optica", objavljenom 1704. godine. Iako je mnogo prije nego što je Newton uveo termin "spektar" u naučnu upotrebu, čovječanstvo je znalo za njegovu manifestaciju u obliku poznate duge.

Kasnije, kako se razvijala teorija elektromagnetizma, ovaj koncept je proširen na čitav raspon elektromagnetnog zračenja. Pored koncepta spektra oscilacija, gdje je frekvencija parametar, a koji se široko koristi u radiotehnici i akustici, u fizici postoji koncept energetskog spektra (npr. elementarne čestice), gdje je parametar je energija ovih čestica dobijenih tokom nuklearnih reakcija ili na neki drugi način.

Drugi primjer energetskog spektra je distribucija stanja (kinetičke energije) molekula plina za različite uvjete, nazvana statistika ili raspodjela Maxwell-Boltzmann, Bose-Einstein ili Fermi-Dirac.

Pioniri u proučavanju spektra plamena obojenog parama metalnih soli bili su njemački fizičar Gustav Robert Kirchhoff i hemičar Robert Wilhelm Bunsen. Pokazalo se da je spektralna analiza moćan alat za proučavanje prirode i fizike optičkih pojava povezanih sa apsorpcijom i emisijom svjetlosti. Još 1814. godine njemački fizičar Josef Fraunhofer otkrio je i opisao preko 500 tamnih linija u spektru sunčeve svjetlosti, ali nije mogao objasniti prirodu njihovog nastanka. Sada se ove apsorpcione linije nazivaju Fraunhoferove linije.

Godine 1859. Kirchhoff je objavio članak "O Fraunhoferovim linijama", u kojem je objasnio razlog za pojavu Fraunhoferovih linija; ali glavni zaključak članka bio je određivanje hemijskog sastava sunčeve atmosfere. Tako je dokazano prisustvo vodonika, gvožđa, hroma, kalcijuma, natrijuma i drugih elemenata u atmosferi Sunca. Godine 1868, koristeći spektrometrijske metode nezavisno jedna od druge, francuski astronom Pierre Jules Cesar Jansen i njegov engleski kolega Sir Norman Lockyer istovremeno su otkrili jarko žutu liniju na spektru Sunca koja se nije poklapala ni sa jednim poznatim elementom. Tako je otkriven hemijski element helijum (po starogrčkom bogu Sunca - Heliosu).

Fourierovi redovi i integrali, nazvani po francuskom matematičaru Jean Baptiste Joseph Fourieru, koji ih je razvio u toku proučavanja teorije prijenosa topline, postali su matematička osnova za proučavanje spektra vibracija i spektra općenito. Fourierove transformacije su izuzetno moćan alat u različitim oblastima nauke: astronomiji, akustici, radiotehnici i drugim.

Proučavanje spektra, kao vidljivih vrijednosti vrijednosti funkcija stanja određenog sistema, pokazalo se vrlo plodonosnim. Osnivač kvantne fizike, njemački naučnik Max Planck, došao je na ideju kvanta radeći na teoriji spektra crnog tijela. Engleski fizičari Sir Joseph John Thomson i Francis Aston su 1913. godine došli do dokaza o postojanju atomskih izotopa proučavajući masene spektre, a 1919. godine, koristeći prvi maseni spektrometar koji je napravio, Aston je uspio otkriti dva stabilna izotopa neona Ne, koji su postali prvi od 213 izotopa različitih atoma koje je otkrio ovaj naučnik.

Od sredine prošlog stoljeća, zbog naglog razvoja radio elektronike, radiospektroskopske metode istraživanja postale su raširene u raznim znanostima: prije svega, nuklearna magnetna rezonanca (NMR), elektronska paramagnetna rezonanca (EPR), feromagnetna rezonanca ( FR), antiferomagnetna rezonanca (AFR) i dr.

Definicija spektra

Spektar u fizici je raspodjela vrijednosti fizičke veličine (energije, frekvencije ili mase) date na grafički, analitički ili tabelarni način. Najčešće se pod spektrom podrazumijeva elektromagnetski spektar – raspodjela energije ili snage elektromagnetnog zračenja po frekvencijama ili valnim dužinama.

Količina koja karakterizira signal, zračenje ili vremensku sekvencu je spektralna gustoća snage ili energije. Pokazuje kako je snaga ili energija signala raspoređena po frekvenciji. Kada se mjere signali koji sadrže različite frekvencijske komponente, snaga različitih komponenti frekvencijskog signala bit će različita. Prema tome, dijagram spektralne gustine je dijagram snage u odnosu na frekvenciju. Spektralna gustina snage se obično izražava u vatima po hercu (W/Hz) ili decibelima u milivatu po hercu (dBm/Hz). U opštem slučaju, spektralna gustina snage pokazuje na kojim frekvencijama su promene signala jake, a na kojim male, što može biti korisno za dalju analizu različitih procesa.

Prema prirodi raspodjele vrijednosti fizičke veličine, spektri su diskretni (linearni), kontinuirani (kontinuirani), a mogu biti i kombinacija diskretnih i kontinuiranih spektra.

Primjer linijskih spektra mogu biti spektri elektronskih prijelaza atoma iz pobuđenog stanja u normalno. Primjer kontinuiranog spektra je spektar elektromagnetnog zračenja zagrijane čvrste tvari, a primjer kombinovanog spektra su emisioni spektri zvijezda i fluorescentnih lampi. Kontinuirani spektar zagrijane fotosfere zvijezde je superponiran hromosferskim emisijskim i apsorpcionim linijama atoma koji čine hromosferu zvijezde.

Spectra. Fizika pojava

Spectra primjeri

U fizici se takođe razlikuju emisioni spektri (spektri zračenja), spektri adsorpcije (apsorpcioni spektri) i refleksijski spektri (Rayleighovo rasejanje). Posebno se razmatra ramansko raspršivanje svjetlosti (Ramanov efekat), koje je povezano sa neelastičnim rasipanjem optičkog zračenja i dovodi do primjetne promjene frekvencije (ili, što je isto, valne dužine) reflektirane svjetlosti. Ramanova spektroskopija je efikasna metoda hemijske analize koja proučava sastav i strukturu materijala koji se nalaze kako u čvrstoj fazi tako iu tečnoj i gasovitoj fazi supstance koja se proučava.

U spektru kamertona prikazanom na ovoj slici, može se vidjeti da su odmah nakon udara, pored osnovnog harmonika (440 Hz), drugi (880 Hz) i treći (1320 Hz) harmonik prisutni u zvuk, koji brzo nestaje i tada se čuje samo osnovni harmonik. Zvuk se može čuti pritiskom na dugme za reprodukciju na plejeru

Kao što je već spomenuto, emisioni spektri nastaju prije svega zbog prijelaza elektrona vanjskih omotača atoma koji su u pobuđenom stanju, pri čemu se elektroni ovih ljuski vraćaju na niže energetske nivoe koji odgovaraju normalnom stanju. atoma. U tom slučaju se emituje kvant svjetlosti određene frekvencije (valne dužine), a u spektru emisije se pojavljuju karakteristične linije.

Prilikom apsorpcione apsorpcije aktivira se obrnuti mehanizam - hvatajući kvante zračenja određene frekvencije, elektroni vanjskih omotača atoma prelaze na viši energetski nivo. U ovom slučaju, odgovarajuće karakteristične tamne linije pojavljuju se u spektru apsorpcije.

Kod Rayleighovog rasejanja (elastičnog rasejanja), koje se može opisati nekvantnom mehanikom, istovremeno se dešava apsorpcija i reemisija svetlosnih kvanta, što uopšte ne menja spektar upadnog i reflektovanog zračenja.

Akustični spektri

Akustički spektri igraju posebnu ulogu u nauci o zvuku – akustici. Analiza takvih spektra daje ideju o frekvenciji i dinamičkom rasponu akustičnog signala, što je vrlo važno za tehničke primjene.

Na primjer, za siguran prijenos ljudskog glasa u telefoniji, dovoljno je prenijeti zvukove u opsegu od 300-3000 Hz. Zato glasovi poznanika na telefonu zvuče malo drugačije nego u stvarnom životu.

Izum ultrazvučne zviždaljke pripisuje se engleskom naučniku i putniku Francisu Galtonu, u svakom slučaju, on ga je prvi koristio za psihometrijska istraživanja.

Zvukovi općenito, posebno ritmički i harmonični, imaju snažan psihoemocionalni utjecaj. Čak i akustični signali nalik šumu imaju efekta - u akustici se koriste koncepti "bijelog" i "ružičastog" šuma i šumova "druge boje". Spektralna gustina bijelog šuma je ujednačena u cijelom frekventnom opsegu, ružičasti šum, kao i drugi šum u „boji“, razlikuje se od bijelog šuma po svom amplitudno-frekvencijskom spektralnom odzivu.

Pa, moderni vitezovi "ogrtača i bodeža" uopće nisu mogli zanemariti akustični spektar. U početku su koristili trivijalno presretanje telefonskih razgovora. Kao rezultat toga, razvojem radiotehnike, počele su se koristiti metode kodiranja (šifriranja i kodiranja) akustičkih signala prema određenim matematičkim algoritmima kako bi se otežalo njihovo presretanje. Zbog povećanja produktivne računarske snage kako stacionarnih tako i prijenosnih kompjuterskih uređaja, sada stare metode šifriranja akustičnog signala blijede u zaborav, zamjenjujući ih modernijim matematičkim metodama šifriranja.

Elektromagnetski spektri

Proučavanje elektromagnetnih spektra dalo je radioastronomima nevjerovatan alat za analizu fizičkih veličina. Uhvatili su odjeke Velikog praska, koji je označio početak našeg Univerzuma, u obliku kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja i poboljšali ponašanje zvijezda koje se nalaze na glavnoj sekvenci. Klasifikacija zvijezda se vrši prema spektru i, hvala Bogu, naša svjetiljka - žuti patuljak Sunce klase G (G2V) - ima prilično miran karakter, osim nekih perioda aktivnosti. Kako se osjetljivost instrumenata razvija, astrofizičari, pa čak i astrobiolozi sada su u stanju da izvode zaključke o postojanju planeta poput naše Zemlje izvan našeg Sunčevog sistema, s mogućim opcijama za postojanje života na njima.

Analiza spektra se široko koristi u medicini, hemiji i drugim srodnim naukama. Ne iznenađuju nas kompjuterski obrađene slike fetusa u tijelu trudnice, navikli smo na MRI preglede, a ne plašimo se čak ni operacija na krvnim sudovima ljudskog tijela, čija se vizualizacija zasniva na analiza spektra ultrazvučnog zračenja.

Koristeći spektralne metode analize, kemičari mogu ne samo dobiti ideju o složenim kemijskim spojevima, već i izračunati prostorni raspored atoma u molekulima.

I, kao i uvijek, elektromagnetski spektri u radio-frekvencijskom i optičkom opsegu nisu promakli pažnji vojnih stručnjaka. Na osnovu svoje analize, vojni obavještajci ne samo da stvaraju ideju o suprotstavljenoj grupi neprijateljskih trupa, već su u stanju odrediti i početak atomskog Armagedona.

Analiza spektra

Kao što je gore prikazano, spektralna analiza, posebno u radio-frekvencijskom i optičkom opsegu, moćan je alat za dobijanje informacija o fizičkoj i informacionoj suštini objekata - uopšte nije važno da li se odnose na stvarno stvarne fizičke objekte ili predstavljaju efemerne spektre. javnog mnijenja dobijenog anketama. Moderna fizička spektralna analiza zasniva se na upoređivanju potpisa – svojevrsnih digitalnih spektralnih potpisa objekata.

Razvojem radarskih metoda, vojni stručnjaci, na osnovu analize spektra reflektovanih signala, mogu ne samo da otkriju zračni cilj i odrede njegov azimut i elevaciju. Vremenom kašnjenja dolaska reflektovanog signala u odnosu na impuls zračenja moguće je odrediti udaljenost do cilja. Na osnovu Doplerovog efekta moguće je izračunati brzinu njegovog kretanja, pa čak i odrediti njegovu vrstu iz signatura (spektra) reflektovanih signala.

Međutim, potpuno iste metode se koriste u civilnom vazduhoplovstvu. Odličan resurs flyradar24.com vam omogućava da pratite letove aviona skoro u realnom vremenu, dajući mnogo povezanih informacija, kao što su: kurs aviona i njegov tip, visina i brzina leta; vrijeme polijetanja i predviđeno vrijeme dolaska; koliko je ostalo za let pa čak i ime i prezime komandanta aviona. Pomoću kompjuterske grafike, ovaj resurs proizvodi stazu leta, a kada zumirate, čak možete vidjeti polijetanje i slijetanje leta u odgovarajućim trenucima.

Radio-obavještajci, na osnovu fine analize spektra zračenja, čak preuzimaju i utvrđivanje pripadnosti otkrivene radio opreme odgovarajućim neprijateljskim jedinicama.

Spektralna sinteza

Spektralna sinteza signala zasniva se na harmonijskoj analizi francuskog matematičara Fouriera i teoremi ruskog naučnika iz oblasti radiotehnike Kotelnikova, koja, nažalost, u engleskoj tehničkoj literaturi ima drugačiji naziv - Nyquist-Shannon teorema. . Harmonička analiza podrazumeva mogućnost realizacije proizvoljno složenog signala sa dovoljnim stepenom vernosti konačnim skupom harmonijskih komponenti sa različitim parametrima. Ne ulazeći u specifičnosti prezentacije matematičkog materijala, Kotelnikova teorema kaže da je za reprodukciju harmonijskog signala dovoljno uzorkovati iz tog signala dvostruko većom frekvencijom.

Sinteza signala - čitajte sintezu spektra - postala je osnova moderne kompjuterske kriptografije, stvaranja moderne muzike, pa čak i emulacije stvarnih zračećih objekata virtuelnim analogama, sistemima za otkrivanje obmanjujućih neprijatelja koji se koriste u modernom elektronskom ratu (EW) .

Danas su metode prenosa signala preko zatvorenih komunikacionih kanala usko isprepletene sa metodama prenosa signala sličnih šumu, koji imaju visok stepen otpornosti na smetnje.

Njihovo nabrajanje nije u okviru ovog članka, međutim, moramo vas uvjeriti da, koristeći mobilne komunikacije, u potpunosti koristite transformacije spektra akustičnog signala prema određenim matematičkim algoritmima uz visok stupanj zaštite od dekodiranja.

Neki eksperimenti sa spektrima

U zaključku, izvršimo nekoliko eksperimenata sa optičkim spektrom.

Iskustvo 1. Razgradnja sunčeve svjetlosti i kalibracija jednostavnog domaćeg spektrografa

Ako imate trokutastu optičku prizmu ili stari nepotreban CD ili DVD, možete ponoviti eksperiment Sir Isaaca Newtona o razgradnji sunčeve svjetlosti. Koristit ćemo CD jer je lakše. Potrebna nam je i dijafragma na ulazu u naš spektrograf i cijev od neprozirnog materijala, kao što je karton. Za izradu dijafragme dovoljno je nožem ili skalpelom izrezati prorez na ploči od bilo kojeg optički neprozirnog materijala, na koji zatim zalijepiti par oštrica. Ovaj prorez će igrati ulogu kolimatora. Ploču sa prorezom pričvrstimo na kartonsku cijev dužine oko 20 cm Paralelni snop sunčeve svjetlosti ili drugog izvora svjetlosti koji se dobije nakon kolimatora treba usmjeriti na komad diska koji pričvrstimo na drugi kraj cijevi na ugao od 60-80° prema snopu svjetlosti iz proreza (odabrano eksperimentalno). Drugi kraj zatvorite poklopcem. Da vidite ili fotografišete spektar, potrebno je da izrežete rupu u cevi, kao što je prikazano na slici. Sve, naš spektrograf je spreman. Možemo posmatrati i fotografisati kontinuirani spektar boja sunčeve svetlosti sa glatkim prelazima između boja od ljubičaste do crvene. Tamne Fraunhoferove apsorpcione linije su jasno vidljive u spektru.

Da bismo kalibrirali naš najjednostavniji spektrograf, koristit ćemo tri laserska pokazivača - crveni, zeleni i ljubičasti s valnim dužinama od 670, 532 i 405 nm, respektivno.

Iskustvo 2. Razlaganje svjetlosti iz "bijele" LED diode

Zamijenit ćemo izvor prirodnog svjetla. Kao zamjenu koristimo LED diodu snage zračenja od 5 W s bijelim sjajem. Ovo svjetlo se najčešće dobiva pretvaranjem zračenja plave LED diode pomoću fosfora koji je prekriva u "toplu" ili "hladnu" bijelu svjetlost.

Kada se na izlaze LED-a na ekranu primeni odgovarajući napon, može se posmatrati emisioni spektar sa karakterističnim neujednačenim intenzitetom boje.

Iskustvo 3. Emisioni spektar fluorescentne lampe

Pogledajmo kako izgleda spektar kompaktne fluorescentne lampe sa normalizovanom temperaturom boje od 4100 K. Posmatramo linijski spektar.

Dužina i rastojanje Masa Mere zapremine rasutih proizvoda i namirnica Područje Zapremina i merne jedinice u kulinarskim receptima Temperatura Pritisak, mehanički stres, Jangov modul Energija i rad Snaga Sila Vreme Linearna brzina Ravni ugao Toplotna efikasnost i efikasnost goriva Brojevi Mjerne jedinice količina informacija Kurs Dimenzije ženske odeće i obuće Dimenzije muške odeće i obuće Ugaona brzina i brzina rotacije Ubrzanje Ugaono ubrzanje Gustina Specifična zapremina Moment inercije Moment sile Obrtni moment Specifična kalorijska vrednost (po masi) Gustina energije i specifična toplota sagorevanje goriva (po zapremini) Temperaturna razlika Koeficijent toplotnog širenja Toplotni otpor Toplotna provodljivost Specifična toplota Izloženost energiji, snaga termičko zračenje Gustina toplotnog toka Koeficijent prijenosa topline Volumenski protok Maseni protok Molarni protok Gustina masenog protoka Molarna koncentracija Masena koncentracija u otopini Dinamički (apsolutni) viskozitet Kinematička viskoznost Površinski napon Paropropusnost Paropropusnost, brzina prijenosa pare Nivo zvuka mikrofona Osjetljivost Nivo zvučnog pritiska (SPL) Svjetlina Intenzitet svjetlosti Osvetljenje Kompjuterska grafika Rezolucija Frekvencija i talasna dužina Dioptrijska snaga i žižna dužina Dioptrijska snaga i povećanje objektiva (×) Električno punjenje Linearna gustina naboja Gustoća površinskog naboja Gustina napunjenosti Struja Linearna gustina struje Površinska gustina struje Jačina električno polje elektrostatički potencijal i napon Električni otpor Specifičan električni otpor Električna vodljivost Električna vodljivost Električna kapacitivnost Induktivnost Američki mjerni nivoi žice u dBm (dBm ili dBmW), dBV (dBV), vatima, itd. Jedinice Napon magnetomotorne sile magnetsko polje magnetni fluks Magnetna indukcija Brzina apsorbirane doze jonizujućeg zračenja Radioaktivnost. Radioaktivni raspad Zračenje. Doza izloženosti zračenju. Apsorbovana doza Decimalni prefiksi Komunikacija podataka Tipografija i slika Jedinice zapremine drveta Obračun molarna masa Periodični sistem hemijski elementi D. I. Mendeljejev

1 megaherc [MHz] = 1000 kiloherca [kHz]

Početna vrijednost

Preračunata vrijednost

hertz exahertz petahertz terahertz gigahertz megahertz kilohertz hectohertz dekahertz decihertz centihertz millihertz microhertz nanohertz picohertz femtohertz attohertz cycles per second wavelength in exameters wavelength in petameters wavelength in terameters wavelength in gigameters wavelength in megameters wavelength in kilometers wavelength in hectometers wavelength in decameters wavelength in meters wavelength in decimeters talasna dužina u centimetrima talasna dužina u milimetrima talasna dužina u mikrometrima talasna dužina komptonovog elektrona talasna dužina komptonovog protona talasna dužina neutrona u sekundi obrtaja u minuti obrtaja po satu obrtaja dnevno

Istaknuti članak

Više o frekvenciji i talasnoj dužini

Opće informacije

Frekvencija

Učestalost je veličina koja mjeri koliko često se određeni periodični proces ponavlja. U fizici se pomoću frekvencije opisuju svojstva valnih procesa. Frekvencija talasa - broj kompletnih ciklusa talasnog procesa u jedinici vremena. SI jedinica za frekvenciju je herc (Hz). Jedan herc je jednak jednoj oscilaciji u sekundi.

Talasna dužina

U prirodi postoji mnogo različitih vrsta valova, od morskih valova koje potiču vjetrom do elektromagnetnih valova. Svojstva elektromagnetnih talasa zavise od talasne dužine. Takvi valovi su podijeljeni u nekoliko tipova:

• gama zraci sa talasnom dužinom do 0,01 nanometar (nm).
• X-zrake sa talasnom dužinom - od 0,01 nm do 10 nm.
• Talasi ultraljubičasti opseg, koji imaju dužinu od 10 do 380 nm. One nisu vidljive ljudskom oku.
• svjetlo unutra vidljivi dio spektra sa talasnom dužinom od 380-700 nm.
• Nevidljiv za ljude infracrveno zračenje sa talasnom dužinom od 700 nm do 1 milimetar.
• Prate se infracrveni talasi mikrovalna, sa talasnom dužinom od 1 milimetar do 1 metar.
• Najduži - radio talasi. Njihova dužina počinje od 1 metra.

Ovaj članak je o elektromagnetnom zračenju, a posebno o svjetlosti. U njemu ćemo raspravljati o tome kako talasna dužina i frekvencija utiču na svetlost, uključujući vidljivi spektar, ultraljubičasto i infracrveno zračenje.

Elektromagnetno zračenje

Elektromagnetno zračenje- ovo je energija čija su svojstva istovremeno slična svojstvima talasa i čestica. Ova karakteristika se naziva dualitet talas-čestica. Elektromagnetski talasi se sastoje od magnetnog talasa i električnog talasa koji je okomit na njega.

Energija elektromagnetnog zračenja rezultat je kretanja čestica zvanih fotoni. Što je veća frekvencija zračenja, to su aktivniji i više štete mogu nanijeti stanicama i tkivima živih organizama. To je zato što što je veća frekvencija zračenja, to više energije nose. Veća energija im omogućava da promijene molekularnu strukturu supstanci na koje djeluju. Zato su ultraljubičasto, rendgensko i gama zračenje toliko štetno za životinje i biljke. Veliki dio ovog zračenja nalazi se u svemiru. Prisutan je i na Zemlji, uprkos tome što ozonski sloj atmosfera oko Zemlje blokira većinu toga.

Elektromagnetno zračenje i atmosfera

Zemljina atmosfera prenosi samo elektromagnetno zračenje određene frekvencije. Većina gama zračenja x-zrake, ultraljubičasto svjetlo, dio zračenja u infracrvenom opsegu i dugi radio valovi blokirani su Zemljinom atmosferom. Atmosfera ih upija i ne prolazi dalje. Deo elektromagnetnih talasa, posebno zračenje u kratkotalasnom opsegu, reflektuje se od jonosfere. Sva ostala zračenja pogađaju površinu Zemlje. U gornjim slojevima atmosfere, odnosno dalje od površine Zemlje, radijacije je više nego u donjim slojevima. Dakle, što je više, to je opasnije za žive organizme biti tamo bez zaštitnih odijela.

Atmosfera prenosi malu količinu ultraljubičastog svjetla na Zemlju, što uzrokuje oštećenje kože. Zbog ultraljubičastih zraka ljudi izgore na suncu, pa čak mogu dobiti i rak kože. S druge strane, neke od zraka koje prenosi atmosfera su korisne. Na primjer, infracrvene zrake koje pogađaju površinu Zemlje koriste se u astronomiji - infracrveni teleskopi prate infracrvene zrake koje emituju astronomski objekti. Što je više od Zemljine površine, to je više infracrvenog zračenja, pa se teleskopi često postavljaju na vrhove planina i na drugim uzvišenjima. Ponekad se šalju u svemir da poboljšaju vidljivost infracrvenih zraka.

Odnos između frekvencije i talasne dužine

Frekvencija i talasna dužina su obrnuto proporcionalne jedna drugoj. To znači da kako se talasna dužina povećava, frekvencija se smanjuje i obrnuto. Ovo je lako zamisliti: ako je frekvencija oscilovanja talasnog procesa visoka, tada je vreme između oscilacija mnogo kraće nego za talase čija je frekvencija oscilovanja niža. Ako zamislite val na grafikonu, tada će udaljenost između njegovih vrhova biti to manja, što više oscilacija napravi u određenom vremenskom periodu.

Da bi se odredila brzina širenja vala u mediju, potrebno je pomnožiti frekvenciju vala njegovom dužinom. Elektromagnetski talasi u vakuumu se uvek šire istom brzinom. Ova brzina je poznata kao brzina svjetlosti. To je jednako 299 792 458 metara u sekundi.

Light

Vidljiva svjetlost su elektromagnetski valovi s frekvencijom i dužinom koji određuju njenu boju.

Talasna dužina i boja

Najkraća talasna dužina vidljive svetlosti je 380 nanometara. Ljubičasta je, zatim plava i cijan, zatim zelena, žuta, narandžasta i na kraju crvena. Bijelo svjetlo se sastoji od svih boja odjednom, odnosno bijeli objekti odražavaju sve boje. To se može vidjeti sa prizmom. Svjetlost koja ulazi u njega se lomi i poređa u traku boja u istom nizu kao u dugi. Ova sekvenca je od boja sa najkraćom talasnom dužinom do najduže. Ovisnost brzine prostiranja svjetlosti u supstanci o talasnoj dužini naziva se disperzija.

Duga se formira na sličan način. Kapljice vode raspršene u atmosferi nakon kiše ponašaju se kao prizma i prelamaju svaki talas. Dugine boje su toliko važne da na mnogim jezicima postoji mnemonika, odnosno tehnika pamćenja duginih boja, toliko jednostavna da ih čak i djeca mogu zapamtiti. Mnoga deca koja govore ruski znaju da „svaki lovac želi da zna gde sedi fazan“. Neki ljudi izmišljaju vlastitu mnemotehniku, a ovo je posebno korisna vježba za djecu, jer će ih izmišljanjem vlastite metode pamćenja duginih boja brže pamtiti.

Svjetlost na koju je ljudsko oko najosjetljivije je zelena, s talasnom dužinom od 555 nm u svijetlim okruženjima i 505 nm u sumraku i tami. Ne mogu sve životinje razlikovati boje. Kod mačaka, na primjer, vid boja nije razvijen. S druge strane, neke životinje vide boje mnogo bolje od ljudi. Na primjer, neke vrste vide ultraljubičasto i infracrveno svjetlo.

refleksija svetlosti

Boja objekta određena je talasnom dužinom svjetlosti koja se odbija od njegove površine. Bijeli objekti reflektiraju sve valne dužine vidljivog spektra, dok crni objekti, naprotiv, apsorbiraju sve valove i ništa ne reflektiraju.

Jedan od prirodnih materijala sa visokim koeficijentom disperzije je dijamant. Pravilno izrezani dijamanti reflektiraju svjetlost i sa vanjske i sa unutrašnje strane, prelamajući je poput prizme. Pritom je važno da se najveći dio ove svjetlosti reflektira prema gore, prema oku, a ne, na primjer, prema dolje, u kadar, gdje se ne vidi. Zbog velike disperzije, dijamanti vrlo lijepo sijaju na suncu i pod vještačkom rasvjetom. Staklo izrezano kao dijamant također sija, ali ne toliko. To je zbog činjenice da, zbog hemijskog sastava, dijamanti reflektiraju svjetlost mnogo bolje od stakla. Uglovi koji se koriste pri rezanju dijamanata su od najveće važnosti jer uglovi koji su preoštri ili previše tupi ili sprječavaju reflektiranje svjetlosti od unutrašnjih zidova ili odbijaju svjetlost u postavku, kao što je prikazano na slici.

Spektroskopija

Spektralna analiza ili spektroskopija se ponekad koristi za određivanje hemijskog sastava supstance. Ova metoda je posebno dobra ako hemijska analiza materija se ne može pratiti direktnim radom s njom, na primjer, prilikom određivanja hemijskog sastava zvijezda. Znajući kakvu vrstu elektromagnetnog zračenja tijelo apsorbira, moguće je odrediti od čega se ono sastoji. Apsorpciona spektroskopija, koja je jedna od grana spektroskopije, određuje koje zračenje tijelo apsorbira. Takva analiza se može raditi na daljinu, pa se često koristi u astronomiji, kao i u radu s otrovnim i opasnim tvarima.

Određivanje prisustva elektromagnetnog zračenja

Vidljiva svjetlost, kao i sva elektromagnetna zračenja, je energija. Što se više energije emituje, lakše je izmeriti ovo zračenje. Količina zračene energije opada kako se talasna dužina povećava. Vid je moguć upravo zato što ljudi i životinje prepoznaju ovu energiju i osjećaju razliku između zračenja različitih valnih dužina. Elektromagnetno zračenje različitih dužina oko percipira kao različite boje. Po ovom principu ne rade samo oči životinja i ljudi, već i tehnologije koje su ljudi stvorili za obradu elektromagnetnog zračenja.

vidljivo svetlo

Ljudi i životinje vide širok spektar elektromagnetnog zračenja. Većina ljudi i životinja, na primjer, reagira na vidljivo svetlo , a neke životinje - također na ultraljubičastim i infracrvenim zracima. Sposobnost razlikovanja boja nije kod svih životinja - neke vide samo razliku između svijetlih i tamnih površina. Naš mozak definira boju na sljedeći način: fotoni elektromagnetnog zračenja ulaze u oko na mrežnicu i, prolazeći kroz nju, pobuđuju čunjeve, fotoreceptore oka. Kao rezultat, signal se prenosi kroz nervni sistem do mozga. Osim čunjića, u očima postoje i drugi fotoreceptori, štapići, ali oni nisu u stanju razlikovati boje. Njihova svrha je određivanje svjetline i jačine svjetlosti.

Obično postoji nekoliko vrsta čunjeva u oku. Ljudi imaju tri tipa, od kojih svaki apsorbira fotone svjetlosti unutar određenih talasnih dužina. Kada se apsorbuju, hemijska reakcija, uslijed čega u mozak stižu nervni impulsi sa informacijom o talasnoj dužini. Ove signale obrađuje vizualni korteks mozga. Ovo je područje mozga odgovorno za percepciju zvuka. Svaki tip čunjića odgovoran je samo za određene valne dužine, tako da se informacije primljene od svih čunjića sabiraju kako bi se dobila potpuna slika o boji.

Neke životinje imaju čak više vrsta čunjeva od ljudi. Tako, na primjer, u nekim vrstama riba i ptica ima od četiri do pet vrsta. Zanimljivo je da ženke nekih životinja imaju više tipova čunjeva od mužjaka. Neke ptice, kao što su galebovi koji hvataju plijen u ili na površini vode, imaju žute ili crvene kapljice ulja unutar svojih čunjeva koje djeluju kao filter. Ovo im pomaže da vide više boja. Oči gmizavaca su raspoređene na sličan način.

infracrveno svetlo

Zmije, za razliku od ljudi, imaju ne samo vidne receptore, već i osjetljive organe koji reaguju na infracrveno zračenje. Oni apsorbuju energiju infracrvenih zraka, odnosno reaguju na toplotu. Neki uređaji, kao što su naočale za noćno gledanje, takođe reaguju na toplotu koju generiše infracrveni emiter. Ovakve uređaje koristi vojska, kao i za osiguranje i zaštitu prostorija i teritorije. Životinje koje vide infracrveno svjetlo i uređaji koji ga mogu prepoznati, vide više od samo objekata koji su u njihovom vidnom polju na ovog trenutka, ali i tragovi predmeta, životinja ili ljudi koji su bili tu prije, ako nije prošlo previše vremena. Na primjer, zmije mogu vidjeti da li glodari kopaju rupu u zemlji, a policajci koji koriste noćni vid mogu vidjeti da li su u zemlji nedavno sakriveni tragovi zločina, poput novca, droge ili nečeg drugog. Uređaji za detekciju infracrvenog zračenja koriste se u teleskopima, kao i za provjeru kontejnera i komora na curenje. Uz njihovu pomoć, mjesto curenja topline je jasno vidljivo. U medicini se za dijagnozu koriste infracrvene slike. U istoriji umjetnosti - odrediti šta je prikazano ispod gornjeg sloja boje. Za zaštitu prostorija koriste se uređaji za noćno osmatranje.

ultraljubičasto svjetlo

Neke ribe vide ultraljubičasto svjetlo. Njihove oči sadrže pigment koji je osjetljiv na ultraljubičaste zrake. Koža ribe sadrži područja koja reflektiraju ultraljubičasto svjetlo, nevidljivo za ljude i druge životinje – što se u životinjskom carstvu često koristi za označavanje spola životinja, kao i u društvene svrhe. Neke ptice vide i ultraljubičasto svjetlo. Ova vještina je posebno važna tokom sezone parenja, kada ptice traže potencijalne partnere. Površine nekih biljaka također dobro reflektiraju ultraljubičasto svjetlo, a sposobnost da ga se vidi pomaže u pronalaženju hrane. Osim riba i ptica, neki gmizavci mogu vidjeti UV svjetlo, kao što su kornjače, gušteri i zelene iguane (na slici).

Ljudsko oko, kao i oči životinja, upija ultraljubičasto svjetlo, ali ga ne može obraditi. Kod ljudi uništava očne ćelije, posebno u rožnjači i sočivu. To pak uzrokuje razne bolesti, pa čak i sljepoću. Iako je ultraljubičasto svjetlo štetno za vid, male količine su potrebne ljudima i životinjama za proizvodnju vitamina D. Ultraljubičasto zračenje, poput infracrvenog, koristi se u mnogim industrijama, na primjer, u medicini za dezinfekciju, u astronomiji za posmatranje zvijezda i drugim predmetima i u hemiji za sušenje tečne supstance, kao i za vizualizaciju, odnosno za izradu dijagrama distribucije supstanci u određenom prostoru. Uz pomoć ultraljubičastog svjetla otkrivaju se krivotvorene novčanice i značke ako se na njima štampaju znakovi specijalnim bojama prepoznatljivim ultraljubičastim svjetlom. U slučaju falsifikovanih dokumenata UV lampa ne pomaže uvek, jer kriminalci ponekad koriste pravi dokument i zamene fotografiju ili druge podatke na njemu, tako da ostaje oznaka za UV lampe. Postoje i mnoge druge namjene za ultraljubičasto zračenje.

daltonizam

Zbog vizuelnih nedostataka, neki ljudi ne mogu razlikovati boje. Ovaj problem se naziva daltonizam ili daltonizam, po osobi koja je prva opisala ovu osobinu vida. Ponekad ljudi ne mogu da vide samo boje na određenim talasnim dužinama, a ponekad ne vide boje uopšte. Često su uzrok nerazvijeni ili oštećeni fotoreceptori, ali u nekim slučajevima problem je oštećenje puta. nervni sistem, kao što je u vizuelnom korteksu, gde se obrađuju informacije o bojama. U mnogim slučajevima ovo stanje stvara neugodnosti i probleme ljudima i životinjama, ali ponekad je nemogućnost razlikovanja boja, naprotiv, prednost. To potvrđuje i činjenica da, unatoč dugim godinama evolucije, vid u boji nije razvijen kod mnogih životinja. Ljudi i životinje koje su slijepe za boje mogu, na primjer, dobro vidjeti kamuflažu drugih životinja.

Unatoč prednostima sljepoće za boje, ona se smatra problemom u društvu, a osobama s daltonizmom je zatvoren put ka nekim profesijama. Obično ne mogu dobiti puna prava da upravljaju avionom bez ograničenja. U mnogim zemljama su licence ovim osobama također ograničene, au nekim slučajevima uopće ne mogu dobiti dozvolu. Stoga ne mogu uvijek naći posao gdje treba da voze automobil, avion i druga vozila. Također im je teško pronaći posao gdje je sposobnost prepoznavanja i korištenja boja veliki značaj. Na primjer, teško im je postati dizajneri ili raditi u okruženju u kojem se boja koristi kao signal (na primjer, o opasnosti).

U toku je rad na stvaranju povoljnijih uslova za osobe sa daltonizmom. Na primjer, postoje tabele u kojima boje odgovaraju znakovima, au nekim zemljama se ti znakovi koriste u institucijama i javnim mjestima uz boju. Neki dizajneri ne koriste ili ne ograničavaju upotrebu boja kako bi prenijeli važne informacije u svom radu. Umjesto boje, ili zajedno s njom, koriste svjetlinu, tekst i druge načine isticanja informacija tako da čak i daltonisti mogu u potpunosti uhvatiti informacije koje je prenio dizajner. U većini slučajeva, ljudi s daltonizmom ne razlikuju crvenu i zelenu, pa dizajneri ponekad zamjenjuju kombinaciju "crveno = opasnost, zeleno = sve je u redu" crvenom i plavom. Većina operativni sistemi također vam omogućavaju da prilagodite boje tako da osobe s daltonizmom mogu vidjeti sve.

Boja u mašinskom vidu

Mašinski vid u boji je grana umjetne inteligencije koja se brzo razvija. Donedavno se najveći dio posla u ovoj oblasti obavljao sa monohromatskim slikama, ali sada sve više naučnih laboratorija radi s bojama. Neki algoritmi za rad sa monohromatskim slikama se takođe koriste za obradu slika u boji.

Aplikacija

Mašinski vid se koristi u brojnim industrijama, kao što su roboti za upravljanje, samovozeći automobili i bespilotne letjelice. aviona. Koristan je u oblasti sigurnosti, na primjer, za identifikaciju ljudi i objekata sa fotografija, za pretraživanje baza podataka, za praćenje kretanja objekata, ovisno o njihovoj boji, itd. Lokacija pokretnih objekata omogućava kompjuteru da odredi pravac nečijeg pogleda ili da prati kretanje automobila, ljudi, ruku i drugih objekata.

Da biste ispravno identificirali nepoznate objekte, važno je znati njihov oblik i druga svojstva, ali informacije o boji nisu toliko važne. Kada radite s poznatim predmetima, boja, naprotiv, pomaže da se brže prepoznaju. Rad sa bojom je takođe zgodan jer se informacije o boji mogu dobiti čak i sa slika niske rezolucije. Prepoznavanje oblika predmeta, za razliku od boje, zahtijeva visoku rezoluciju. Rad sa bojom umjesto oblikom subjekta omogućava vam da smanjite vrijeme obrade slike i koristi manje računarskih resursa. Boja pomaže u prepoznavanju objekata istog oblika, a može se koristiti i kao signal ili znak (na primjer, crvena je signal opasnosti). U ovom slučaju nije potrebno prepoznati oblik ovog znaka, niti tekst ispisan na njemu. Mnogo je zanimljivih primjera korištenja strojnog vida u boji na web stranici YouTube.

Obrada informacija o boji

Fotografije koje računar obrađuje ili postavljaju korisnici ili snimaju ugrađenom kamerom. Proces digitalne fotografije i video snimanja je dobro savladan, ali je obrada ovih slika, posebno u boji, povezana s mnogim poteškoćama, od kojih mnoge još uvijek nisu riješene. To je zbog činjenice da je vid boja kod ljudi i životinja vrlo složen i nije lako stvoriti kompjuterski vid poput čovjeka. Vid se, kao i sluh, zasniva na prilagođavanju okruženje. Percepcija zvuka ne zavisi samo od frekvencije, zvučnog pritiska i trajanja zvuka, već i od prisustva ili odsustva drugih zvukova u okruženju. Tako je i sa vidom - percepcija boja ne zavisi samo od frekvencije i talasne dužine, već i od karakteristika okoline. Na primjer, boje okolnih objekata utiču na našu percepciju boja.

Sa evolucijske tačke gledišta, takva adaptacija je neophodna kako bismo se navikli na naše okruženje i prestali obraćati pažnju na beznačajne elemente, te usmjerili punu pažnju na ono što se mijenja u okruženju. To je neophodno kako bi se lakše uočili grabežljivci i pronašli hrana. Ponekad se zbog ove adaptacije javljaju optičke iluzije. Na primjer, u zavisnosti od boje okolnih objekata, različito percipiramo boju dva tijela, čak i kada reflektiraju svjetlost iste talasne dužine. Ilustracija prikazuje primjer takve optičke iluzije. Smeđi kvadrat na vrhu slike (drugi red, druga kolona) izgleda svjetlije od smeđeg kvadrata na dnu slike (peti red, drugi stupac). U stvari, boje su im iste. Čak i znajući to, još uvijek ih doživljavamo kao različite boje. Budući da je naša percepcija boja tako složena, programerima je teško opisati sve ove nijanse u algoritmima mašinskog vida. Uprkos ovim poteškoćama, mi smo već postigli mnogo u ovoj oblasti.

Članke u Konvertoru jedinica uređivao je i ilustrovao Anatolij Zolotkov

Da li vam je teško prevesti mjerne jedinice s jednog jezika na drugi? Kolege su spremne da vam pomognu. Postavite pitanje na TCTerms i u roku od nekoliko minuta dobićete odgovor.