En las ciencias físicas , el término espectro fue introducido por primera vez en la óptica por Isaac Newton en el siglo XVII, haciendo referencia a la gama de colores que se observaba cuando la luz blanca se dispersaba a través de un prisma . [1] [2] Pronto el término se refirió a un gráfico de intensidad o potencia de la luz en función de la frecuencia o longitud de onda , también conocido como gráfico de densidad espectral .
Posteriormente se amplió para aplicarse a otras ondas , como las ondas sonoras y las ondas marinas que también podían medirse en función de la frecuencia (p. ej., espectro de ruido , espectro de ondas marinas ). También se ha ampliado a " señales " más abstractas, cuyo espectro de potencia puede analizarse y procesarse . El término ahora se aplica a cualquier señal que pueda medirse o descomponerse a lo largo de una variable continua, como la energía en espectroscopia electrónica o la relación masa-carga en espectrometría de masas . Espectro también se utiliza para referirse a una representación gráfica de la señal en función de la variable dependiente.
En latín , espectro significa "imagen" o " aparición ", incluido el significado de " espectro ". La evidencia espectral es testimonio sobre lo que hicieron espectros de personas no presentes físicamente, o evidencia de oídas sobre lo que dijeron fantasmas o apariciones de Satanás . Se utilizó para condenar a varias personas por brujería en Salem, Massachusetts, a finales del siglo XVII. La palabra "espectro" [Spektrum] fue utilizada estrictamente para designar una imagen óptica fantasmal por Goethe en su Teoría de los colores y Schopenhauer en Sobre la visión y los colores .
El prefijo "espectro-" se utiliza para formar palabras relacionadas con espectros. Por ejemplo, un espectrómetro es un dispositivo que se utiliza para registrar espectros y la espectroscopia es el uso de un espectrómetro para análisis químicos .
El espectro electromagnético se refiere al rango completo de todas las frecuencias de la radiación electromagnética [3] y también a la distribución característica de la radiación electromagnética emitida o absorbida por ese objeto en particular. Los dispositivos utilizados para medir un espectro electromagnético se denominan espectrógrafo o espectrómetro . El espectro visible es la parte del espectro electromagnético que puede ver el ojo humano . La longitud de onda de la luz visible oscila entre 390 y 700 nm . [4] El espectro de absorción de un elemento químico o compuesto químico es el espectro de frecuencias o longitudes de onda de radiación incidente que son absorbidas por el compuesto debido a las transiciones de electrones de un estado de energía más bajo a uno más alto. El espectro de emisión se refiere al espectro de radiación emitida por el compuesto debido a las transiciones de electrones de un estado de mayor a menor energía.
La luz procedente de muchas fuentes diferentes contiene varios colores, cada uno con su propio brillo o intensidad. Un arco iris, o prisma , envía estos colores componentes en diferentes direcciones, haciéndolos visibles individualmente en diferentes ángulos. Un gráfico de la intensidad trazado contra la frecuencia (que muestra el brillo de cada color) es el espectro de frecuencia de la luz. Cuando todas las frecuencias visibles están presentes por igual, el color percibido de la luz es blanco y el espectro es una línea plana. Por lo tanto, los espectros de líneas planas en general suelen denominarse blancos , ya sea que representen luz u otro tipo de fenómeno ondulatorio (sonido, por ejemplo, o vibración en una estructura).
En radio y telecomunicaciones, el espectro de frecuencias puede compartirse entre muchas emisoras diferentes. El espectro radioeléctrico es la parte del espectro electromagnético correspondiente a frecuencias inferiores a 300 GHz, que corresponde a longitudes de onda superiores a aproximadamente 1 mm. El espectro de microondas corresponde a frecuencias entre 300 MHz (0,3 GHz ) y 300 GHz y longitudes de onda entre un metro y un milímetro. [5] [6] Cada estación de radio y televisión transmite una onda en un rango de frecuencia asignado, llamado canal . Cuando hay muchas emisoras presentes, el espectro de radio consiste en la suma de todos los canales individuales, cada uno de los cuales transmite información separada, repartidos en un amplio espectro de frecuencias. Cualquier receptor de radio en particular detectará una única función de amplitud (voltaje) versus tiempo. Luego, la radio utiliza un circuito sintonizado o sintonizador para seleccionar un solo canal o banda de frecuencia y demodular o decodificar la información de esa emisora. Si hiciéramos una gráfica de la potencia de cada canal vs la frecuencia del sintonizador, sería el espectro de frecuencia de la señal de la antena.
En espectroscopia astronómica , la fuerza, forma y posición de las líneas de absorción y emisión, así como la distribución general de energía espectral del continuo, revelan muchas propiedades de los objetos astronómicos. La clasificación estelar es la categorización de estrellas en función de sus espectros electromagnéticos característicos. La densidad de flujo espectral se utiliza para representar el espectro de una fuente de luz, como una estrella.
En radiometría y colorimetría (o ciencia del color en general), la distribución de potencia espectral (SPD) de una fuente de luz es una medida de la potencia aportada por cada frecuencia o color en una fuente de luz. El espectro de luz generalmente se mide en puntos (a menudo 31) a lo largo del espectro visible , en el espacio de longitudes de onda en lugar del espacio de frecuencias, lo que hace que no sea estrictamente una densidad espectral. Algunos espectrofotómetros pueden medir incrementos tan finos como uno o dos nanómetros y se han informado dispositivos de resolución incluso mayor con resoluciones inferiores a 0,5 nm. [7] los valores se utilizan para calcular otras especificaciones y luego se trazan para mostrar los atributos espectrales de la fuente. Esto puede resultar útil para analizar las características de color de una fuente en particular.
Un gráfico de la abundancia de iones en función de la relación masa-carga se denomina espectro de masas. Puede ser producido por un instrumento de espectrómetro de masas . [8] El espectro de masas se puede utilizar para determinar la cantidad y masa de átomos y moléculas. La espectrometría de masas en tándem se utiliza para determinar la estructura molecular.
En física, el espectro de energía de una partícula es el número de partículas o la intensidad de un haz de partículas en función de la energía de las partículas. Ejemplos de técnicas que producen un espectro de energía son la espectroscopia de partículas alfa , la espectroscopia de pérdida de energía de electrones y la espectrometría de energía cinética de iones con análisis de masa .
Los desplazamientos oscilatorios , incluidas las vibraciones , también se pueden caracterizar espectralmente.
![Clasificación del espectro de las olas del océano según el período de ola[9]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/Munk_ICCE_1950_Fig1.svg/1280px-Munk_ICCE_1950_Fig1.svg.png)
![Espectro de mareas medido en Fort Pulaski en 2012.[10] Esta transformada de Fourier se calculó utilizando SourceForge[11]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/93/Tides_Fourier_Transform.png/1280px-Tides_Fourier_Transform.png)
En acústica , un espectrograma es una representación visual del espectro de frecuencias del sonido en función del tiempo u otra variable.
Una fuente de sonido puede tener muchas frecuencias diferentes mezcladas. El timbre de un tono musical se caracteriza por su espectro armónico . El sonido en nuestro entorno al que nos referimos como ruido incluye muchas frecuencias diferentes. Cuando una señal de sonido contiene una mezcla de todas las frecuencias audibles, distribuidas equitativamente en el espectro de audio, se le llama ruido blanco . [12]
El analizador de espectro es un instrumento con el que se puede convertir la onda sonora de una nota musical en una representación visual de las frecuencias que la componen. Esta visualización visual se conoce como espectrograma acústico . Los analizadores de espectro de audio basados en software están disponibles a bajo costo, lo que brinda fácil acceso no solo a los profesionales de la industria, sino también a académicos, estudiantes y aficionados . El espectrograma acústico generado por el analizador de espectro proporciona una firma acústica de la nota musical. Además de revelar la frecuencia fundamental y sus armónicos, el espectrograma también es útil para el análisis del ataque temporal , la caída , el sostenido y la liberación de la nota musical.
En las ciencias físicas , el espectro de una cantidad física (como la energía ) puede denominarse continuo si es distinto de cero en todo el dominio del espectro (como la frecuencia o la longitud de onda ) o discreto si alcanza valores distintos de cero sólo en un Conjunto discreto sobre la variable independiente , con espacios entre bandas entre pares de bandas espectrales o líneas espectrales . [13]
El ejemplo clásico de espectro continuo, del que deriva su nombre, es la parte del espectro de la luz emitida por átomos de hidrógeno excitados que se debe a que los electrones libres se unen a un ion de hidrógeno y emiten fotones, que se distribuyen suavemente. en una amplia gama de longitudes de onda, en contraste con las líneas discretas debidas a los electrones que caen de algún estado cuántico ligado a un estado de menor energía. Como en ese ejemplo clásico, el término se utiliza con mayor frecuencia cuando el rango de valores de una cantidad física puede tener una parte continua y una discreta, ya sea al mismo tiempo o en situaciones diferentes. En los sistemas cuánticos , los espectros continuos (como en la bremsstrahlung y la radiación térmica ) suelen estar asociados con partículas libres, como átomos en un gas, electrones en un haz de electrones o electrones en una banda de conducción en un metal . En particular, la posición y el momento de una partícula libre tienen un espectro continuo, pero cuando la partícula está confinada a un espacio limitado su espectro se vuelve discreto.
A menudo, un espectro continuo puede ser simplemente un modelo conveniente para un espectro discreto cuyos valores están demasiado cerca para ser distinguidos, como en los fonones de un cristal .
Los espectros continuos y discretos de sistemas físicos se pueden modelar en análisis funcional como partes diferentes en la descomposición del espectro de un operador lineal que actúa sobre un espacio funcional , como el operador hamiltoniano .
El ejemplo clásico de espectro discreto (para el cual se utilizó el término por primera vez) es el conjunto característico de líneas espectrales discretas que se ven en el espectro de emisión y el espectro de absorción de átomos aislados de un elemento químico , que solo absorben y emiten luz en longitudes de onda particulares . La técnica de la espectroscopia se basa en este fenómeno.
Los espectros discretos se observan en muchos otros fenómenos, como cuerdas vibrantes , microondas en una cavidad metálica , ondas sonoras en una estrella pulsante y resonancias en la física de partículas de alta energía . El fenómeno general de los espectros discretos en sistemas físicos puede modelarse matemáticamente con herramientas de análisis funcional , específicamente mediante la descomposición del espectro de un operador lineal que actúa sobre un espacio funcional .
En la mecánica clásica , los espectros discretos suelen estar asociados a ondas y oscilaciones en un objeto o dominio acotado. Matemáticamente se pueden identificar con los valores propios de operadores diferenciales que describen la evolución de alguna variable continua (como la deformación o la presión ) en función del tiempo y/o el espacio.
Algunos osciladores no lineales también producen espectros discretos donde la cantidad relevante tiene una forma de onda no sinusoidal . Ejemplos notables son el sonido producido por las cuerdas vocales de los mamíferos. [14] [15] : p.684 y los órganos de estridulación de los grillos , [16] cuyo espectro muestra una serie de líneas fuertes en frecuencias que son múltiplos enteros ( armónicos ) de la frecuencia de oscilación .
Un fenómeno relacionado es la aparición de fuertes armónicos cuando una señal sinusoidal (que tiene el "espectro discreto" definitivo, que consiste en una sola línea espectral) es modificada por un filtro no lineal ; por ejemplo, cuando se reproduce un tono puro a través de un amplificador sobrecargado , [17] o cuando un intenso rayo láser monocromático atraviesa un medio no lineal . [18] En el último caso, si dos señales sinusoidales arbitrarias con frecuencias f y g se procesan juntas, la señal de salida generalmente tendrá líneas espectrales en frecuencias | mf + ng |, donde myn son números enteros cualesquiera.
En mecánica cuántica , el espectro discreto de un observable se refiere al espectro puntual puro de valores propios del operador utilizado para modelar ese observable. [19] [20]
Los espectros discretos suelen estar asociados con sistemas que están unidos en algún sentido (matemáticamente, confinados a un espacio compacto ). [ cita necesaria ] Los operadores de posición y momento tienen espectros continuos en un dominio infinito, pero un espectro discreto (cuantizado) en un dominio compacto y las mismas propiedades de los espectros se mantienen para el momento angular , los hamiltonianos y otros operadores de sistemas cuánticos.
El oscilador armónico cuántico y el átomo de hidrógeno son ejemplos de sistemas físicos en los que el hamiltoniano tiene un espectro discreto. En el caso del átomo de hidrógeno, el espectro tiene una parte continua y una discreta, representando la parte continua la ionización .
OpenStax Astronomy, "Espectroscopia en Astronomía". OpenStax CNX. 29 de septiembre de 2016 "OpenStax CNX". Archivado desde el original el 17 de febrero de 2017 . Consultado el 17 de febrero de 2017 .En física, un espectro continuo suele significar un conjunto de valores alcanzables para alguna cantidad física (como la energía o la longitud de onda), que se describe mejor como un intervalo de números reales. Es lo opuesto a un espectro discreto, un conjunto de valores alcanzables que son discretos en el sentido matemático donde hay una brecha positiva entre cada valor.[ enlace muerto ]
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