En las ciencias físicas , el término espectro fue introducido por primera vez en la óptica por Isaac Newton en el siglo XVII, refiriéndose a la gama de colores observados 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 .
Más tarde se amplió para aplicarse a otras ondas , como las ondas sonoras y las olas del mar que también podían medirse en función de la frecuencia (p. ej., espectro de ruido , espectro de las olas del mar ). 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 la espectroscopia electrónica o la relación masa-carga en la espectrometría de masas . El 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 ", incluyendo el significado de " espectro ". La evidencia espectral es el testimonio sobre lo que hicieron los espectros de personas que no estaban presentes físicamente, o la evidencia de oídas sobre lo que dijeron los fantasmas o las 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 por Schopenhauer en Sobre la visión y los colores .
El prefijo "espectro-" se utiliza para formar palabras relacionadas con los espectros. Por ejemplo, un espectrómetro es un dispositivo que se utiliza para registrar espectros y la espectroscopia es el uso de un espectrómetro para realizar análisis químicos .
El espectro electromagnético se refiere al rango completo de todas las frecuencias de 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 ser vista por el ojo humano . La longitud de onda de la luz visible varía de 390 a 700 nm . [4] El espectro de absorción de un elemento químico o compuesto químico es el espectro de frecuencias o longitudes de onda de la radiación incidente que son absorbidas por el compuesto debido a las transiciones de electrones de un estado de energía inferior a uno superior. El espectro de emisión se refiere al espectro de radiación emitida por el compuesto debido a las transiciones de electrones de un estado de energía superior a uno inferior.
La luz procedente de muchas fuentes diferentes contiene varios colores, cada uno con su propio brillo o intensidad. Un arcoíris, o prisma , envía estos colores componentes en diferentes direcciones, haciéndolos visibles individualmente en diferentes ángulos. Un gráfico de la intensidad trazada en función de 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 línea plana en general se suelen denominar 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 ser compartido entre muchos transmisores diferentes. El espectro de radio es la parte del espectro electromagnético correspondiente a frecuencias inferiores a 300 GHz, que corresponde a longitudes de onda mayores 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 muchos transmisores presentes, el espectro de radio consiste en la suma de todos los canales individuales, cada uno de los cuales lleva información separada, distribuida en un amplio espectro de frecuencia. Cualquier receptor de radio en particular detectará una sola función de amplitud (voltaje) vs. tiempo. La radio luego usa un circuito sintonizado o sintonizador para seleccionar un solo canal o banda de frecuencia y demodular o decodificar la información de ese transmisor. Si hiciéramos un gráfico de la fuerza de cada canal vs. la frecuencia del sintonizador, sería el espectro de frecuencia de la señal de antena.
En espectroscopia astronómica , la fuerza, la forma y la posición de las líneas de absorción y emisión, así como la distribución general de la energía espectral del continuo, revelan muchas propiedades de los objetos astronómicos. La clasificación estelar es la categorización de las 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 se mide generalmente en puntos (a menudo 31) a lo largo del espectro visible , en el espacio de longitud de onda en lugar del espacio de frecuencia, lo que hace que no sea estrictamente una densidad espectral. Algunos espectrofotómetros pueden medir incrementos tan finos como uno o dos nanómetros e incluso se han informado dispositivos de mayor resolución con resoluciones inferiores a 0,5 nm. [7] Los valores se utilizan para calcular otras especificaciones y luego se grafican para mostrar los atributos espectrales de la fuente. Esto puede ser 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 generarse mediante un espectrómetro de masas . [8] El espectro de masas se puede utilizar para determinar la cantidad y la 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 la partícula. Algunos 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 masas .
Los desplazamientos oscilatorios , incluidas las vibraciones , también pueden caracterizarse espectralmente.
![Clasificación del espectro de las olas del océano según el período de las olas[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 frecuencia 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 de 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 de manera uniforme en el espectro de audio, se denomina ruido blanco . [12]
El analizador de espectro es un instrumento que se puede utilizar para convertir la onda sonora de la nota musical en una representación visual de las frecuencias constituyentes. Esta representación visual se conoce como espectrograma acústico . Los analizadores de espectro de audio basados en software están disponibles a bajo costo, lo que proporciona un 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 sobretonos, 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 llamarse continuo si no es cero en todo el dominio del espectro (como la frecuencia o la longitud de onda ) o discreto si alcanza valores distintos de cero solo en un conjunto discreto sobre la variable independiente , con brechas de banda entre pares de bandas espectrales o líneas espectrales . [13]
El ejemplo clásico de un espectro continuo, del cual se deriva el nombre, es la parte del espectro de la luz emitida por átomos excitados de hidrógeno que se debe a que los electrones libres se unen a un ion de hidrógeno y emiten fotones, que se distribuyen suavemente en un amplio rango de longitudes de onda, en contraste con las líneas discretas debido a que los electrones caen de algún estado cuántico ligado a un estado de menor energía. Como en ese ejemplo clásico, el término se usa con más 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 diferentes situaciones. En los sistemas cuánticos , los espectros continuos (como en la radiación de frenado y la radiación térmica ) generalmente se asocian con partículas libres, como átomos en un gas, electrones en un haz de electrones o electrones de banda de conducción en un metal . En particular, la posición y el momento de una partícula libre tiene 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 son demasiado cercanos para ser distinguidos, como en los fonones de un cristal .
Los espectros continuos y discretos de los sistemas físicos se pueden modelar en el análisis funcional como partes diferentes en la descomposición del espectro de un operador lineal que actúa sobre un espacio de funciones , como el operador hamiltoniano .
El ejemplo clásico de un espectro discreto (para el cual se utilizó por primera vez el término) es el conjunto característico de líneas espectrales discretas que se observan 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 física de partículas de alta energía . El fenómeno general de los espectros discretos en sistemas físicos se puede modelar matemáticamente con herramientas de análisis funcional , específicamente mediante la descomposición del espectro de un operador lineal que actúa sobre un espacio funcional .
En mecánica clásica , los espectros discretos suelen asociarse a ondas y oscilaciones en un objeto o dominio acotado. Matemáticamente, pueden identificarse 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.
Los espectros discretos también son producidos por algunos osciladores no lineales 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" final, que consiste en una sola línea espectral) es modificada por un filtro no lineal ; por ejemplo, cuando un tono puro se reproduce a través de un amplificador sobrecargado , [17] o cuando un rayo láser monocromático intenso pasa a través de 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 las frecuencias | mf + ng |, donde m y n 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 a sistemas que están ligados en algún sentido (matemáticamente, confinados a un espacio compacto ). [ cita requerida ] 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 otra discreta, siendo la parte continua la que representa 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 generalmente significa un conjunto de valores alcanzables para alguna cantidad física (como energía o longitud de onda), mejor descrito 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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