Espectro (ciencias físicas)

En las ciencias físicas , el espectro describe cualquier rango continuo de valores de frecuencia o longitud de onda . El término se refería inicialmente al rango de colores observados cuando la luz blanca se dispersa a través de un prisma , concepto introducido en la óptica por Isaac Newton en el siglo XVII. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El concepto se extendió posteriormente a otras ondas , como las ondas sonoras y las olas del mar , que también presentan una variedad de frecuencias y longitudes de onda (por ejemplo, espectro de ruido , espectro de olas del mar ). Partiendo del análisis de Fourier , el concepto de espectro se extendió a la teoría de señales , donde la señal se puede graficar en función de la frecuencia y la información se puede ubicar en rangos de frecuencia seleccionados. Actualmente, cualquier magnitud que dependa directamente de, y sea medible a lo largo del rango de , una variable independiente continua se puede graficar a lo largo de su rango o espectro . Ejemplos de ello son el rango de energía de los electrones en la espectroscopia electrónica o el rango de la relación masa-carga en la espectrometría de masas .

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 llaman 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 transiciones electrónicas 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 transiciones electrónicas de un estado de energía superior a uno inferior.

La luz proveniente de diversas fuentes contiene distintos colores, cada uno con su propio brillo o intensidad. Un arco iris, o prisma , dirige estos colores en diferentes direcciones, haciéndolos visibles individualmente desde distintos ángulos. Un gráfico que representa la intensidad en función de la frecuencia (mostrando el brillo de cada color) constituye el espectro de frecuencias 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 recta. Por lo tanto, los espectros de línea recta se suelen denominar blancos , ya 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 por muchos emisores diferentes. El espectro radioeléctrico es la parte del espectro electromagnético correspondiente a frecuencias inferiores a 300  GHz, que corresponden a longitudes de onda mayores de 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 emisores presentes, el espectro radioeléctrico consiste en la suma de todos los canales individuales, cada uno transportando información separada, distribuidos en un amplio espectro de frecuencias. Cualquier receptor de radio particular detectará una única función de amplitud (voltaje) en función del tiempo. La radio utiliza entonces un circuito sintonizado o sintonizador para seleccionar un único canal o banda de frecuencia y demodular o decodificar la información de ese emisor. Si hiciéramos un gráfico de la intensidad de cada canal en función de la frecuencia del sintonizador, sería el espectro de frecuencia de la señal de la antena.  

En espectroscopia astronómica , la intensidad, la forma y la posición de las líneas de absorción y emisión, así como la distribución espectral global de la energía del continuo, revelan muchas propiedades de los objetos astronómicos. La clasificación estelar consiste en categorizar las estrellas según 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 espectral de potencia (DEP) de una fuente de luz es una medida de la potencia aportada por cada frecuencia o color en dicha fuente. El espectro de luz se suele medir 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 de uno a dos nanómetros , e incluso se han descrito dispositivos de mayor resolución con resoluciones inferiores a 0,5 nm. ^{[ 7 ]} Los valores se utilizan para calcular otras especificaciones y luego se representan gráficamente 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. Se puede obtener 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 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 analizada por masas .

Los desplazamientos oscilatorios , incluidas las vibraciones , también pueden caracterizarse espectralmente.

• Para obtener información sobre las olas del agua , consulte el espectro de olas y el espectro de mareas .
• Las ondas sonoras y acústicas no audibles también pueden caracterizarse en términos de su densidad espectral, por ejemplo, el timbre y la acústica musical .

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  Clasificación del espectro de olas oceánicas según el período de la ola ^{[ 9 ]}
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  Espectro de mareas medido en Fort Pulaski en 2012. ^{[ 10 ]} Esta transformada de Fourier se calculó utilizando SourceForge ^{[ 11 ]}

En las ciencias físicas , el espectro de una magnitud física (como la energía ) puede denominarse continuo si es distinto de cero en todo el dominio espectral (como la frecuencia o la longitud de onda ) o discreto si solo alcanza valores distintos de cero en un conjunto discreto sobre la variable independiente , con brechas de banda entre pares de bandas o líneas espectrales . ^{[ 13 ]}

El ejemplo clásico de un espectro continuo, del cual deriva el 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, los cuales se distribuyen suavemente en un amplio rango de longitudes de onda, en contraste con las líneas discretas debidas 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 mayor frecuencia cuando el rango de valores de una magnitud física puede tener una parte continua y otra discreta, ya sea simultáneamente 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 la 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 como para distinguirlos, como en el caso de los fonones en un cristal .

Los espectros continuos y discretos de los sistemas físicos pueden modelarse en el análisis funcional como diferentes partes 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 el término por primera vez) 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 , los cuales solo absorben y emiten luz en longitudes de onda específicas . 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 .

• Espectro (desambiguación) §  Física