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Spektrum (Physik)
Ein Spektrum ist in der Physik die Häufigkeitsverteilung einer bestimmten physikalischen Größe, beispielsweise Energie, Wellenlänge, Frequenz oder Masse, …
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Grundidee
Ein Spektrum ist in der Physik die Häufigkeitsverteilung einer physikalischen Größe, die in einem System mit verschiedenen Werten vorkommt. Solche Größen können zum Beispiel Energie, Wellenlänge, Frequenz oder Masse sein. Das Häufigkeitsmaß kann je nach Fall die Anzahl, Rate, der Fluss oder die Intensität sein.
Vereinfacht zeigt ein Spektrum, wie stark einzelne Werte einer Größe vertreten sind. Beim Licht kann ein Spektrum zum Beispiel zeigen, wie stark Wellenlängen aus dem roten, gelben oder blauen Spektralbereich vorkommen.
Wichtige Arten
Wichtige Spektren sind das elektromagnetische Spektrum, das Energiespektrum, das akustische Spektrum und das Massenspektrum.
Beim elektromagnetischen Spektrum betrachtet man die Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Frequenz. Beim Energiespektrum betrachtet man die Anzahl von Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Energie, zum Beispiel bei einem Elektronenspektrum. Beim akustischen Spektrum betrachtet man die Schallintensität in Abhängigkeit von der Frequenz des Schalls. Beim Massenspektrum betrachtet man die Anzahl von Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Masse.
Emission und Absorption
Ein Emissionsspektrum beschreibt die Strahlung, die von einer Quelle ausgesendet wird, und charakterisiert dadurch diese Quelle. Ein Beispiel ist die spezifische Ausstrahlung eines Schwarzkörpers in Abhängigkeit von der Wellenlänge, etwa für Temperaturen von 100 K bis 10000 K; dabei liegt ein kontinuierliches Spektrum vor.
Ein Absorptionsspektrum beschreibt, wie einfallende Strahlung beim Durchtritt durch ein Material verändert wird. Es charakterisiert damit das Material.
Messung und Berechnung
Spektren können das Ergebnis einer Messung sein. Dafür verwendet man zum Beispiel einen Spektrografen oder ein Spektrometer.
Sie können auch mithilfe von Modellannahmen berechnet werden. Ein Spektrum muss also nicht immer direkt gemessen sein, sondern kann auch aus einem physikalischen Modell folgen.
Kontinuierlich und diskret
Man unterscheidet zwei Grundtypen von Spektren. In einem kontinuierlichen Spektrum kommt die betrachtete Größe in einem Bereich auch mit allen Zwischenwerten vor. Die Häufigkeitsverteilung ist dann eine positive und im Allgemeinen stetige Funktion des Werts der Größe.
In einem diskreten oder diskontinuierlichen Spektrum kommt die betrachtete Größe nur bei bestimmten, voneinander getrennten Werten mit einer von Null verschiedenen Häufigkeit vor. Diese Stellen heißen Spektrallinien. Es gibt auch Mischformen aus kontinuierlichen und diskreten Spektren.
Beispiele
Kontinuierliche Spektren elektromagnetischer Strahlung beobachtet man zum Beispiel bei Wärmestrahlung und Synchrotronstrahlung.
Einzelne Atome und Moleküle senden Licht mit einem diskreten Spektrum aus. Der sichtbare Bereich des Emissionsspektrums von Wasserstoff-Atomen ist ein Beispiel für ein Linienspektrum.
