Spectrum (physical sciences)
भौतिक विज्ञान में, स्पेक्ट्रम शब्द को पहली बार 17वीं शताब्दी में आइज़ैक न्यूटन द्वारा प्रकाशिकी में पेश किया गया था, जो एक प्रिज्म के माध्यम से सफेद प्रकाश को फैलाने पर देखे गए रंगों की सीमा का उल्लेख करता है। जल्द ही यह शब्द आवृत्ति या तरंग दैर्ध्य के एक कार्य के रूप में प्रकाश की तीव्रता या शक्ति के एक भूखंड को संदर्भित करता है, जिसे वर्णक्रमीय घनत्व भूखंड के रूप में भी जाना जाता है। बाद में इसका विस्तार अन्य तरंगों पर लागू करने के लिए किया गया, जैसे कि ध्वनि तरंगें और समुद्री तरंगें जिन्हें आवृत्ति के कार्य के रूप में भी मापा जा सकता है (जैसे, शोर स्पेक्ट्रम, समुद्री तरंग स्पेक्ट्रम)। इसे अधिक अमूर्त "संकेतों" तक भी विस्तारित किया गया है, जिनके शक्ति स्पेक्ट्रम का विश्लेषण और प्रसंस्करण किया जा सकता है। यह शब्द अब किसी भी संकेत पर लागू होता है जिसे निरंतर चर के साथ मापा या विघटित किया जा सकता है, जैसे कि इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी में ऊर्जा या द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री में द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात। स्पेक्ट्रम का उपयोग आश्रित चर के कार्य के रूप में संकेत के चित्रमय प्रतिनिधित्व को संदर्भित करने के लिए भी किया जाता है। विद्युत चुम्बकीय वर्णक्रम विद्युत चुम्बकीय विकिरण की सभी आवृत्तियों की पूरी श्रृंखला को संदर्भित करता है और उस विशेष वस्तु द्वारा उत्सर्जित या अवशोषित विद्युत चुम्बकीय विकिरण के विशिष्ट वितरण को भी संदर्भित करता है। विद्युत चुम्बकीय वर्णक्रम को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों को स्पेक्ट्रोग्राफ या स्पेक्ट्रोमीटर कहा जाता है। दृश्य स्पेक्ट्रम विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का वह हिस्सा है जिसे मानव आंख द्वारा देखा जा सकता है। दृश्यमान प्रकाश की तरंग दैर्ध्य 390 से 700 एनएम तक होती है। रासायनिक तत्व या रासायनिक यौगिक का अवशोषण वर्णक्रम घटना विकिरण की आवृत्तियों या तरंग दैर्ध्य का वर्णक्रम है जो निम्न ऊर्जा अवस्था से उच्च ऊर्जा अवस्था में इलेक्ट्रॉन संक्रमण के कारण यौगिक द्वारा अवशोषित किया जाता है। उत्सर्जन वर्णक्रम उच्च ऊर्जा अवस्था से निम्न ऊर्जा अवस्था में इलेक्ट्रॉन संक्रमण के कारण यौगिक द्वारा उत्सर्जित विकिरण के वर्णक्रम को संदर्भित करता है। कई अलग-अलग स्रोतों से आने वाले प्रकाश में विभिन्न रंग होते हैं, जिनमें से प्रत्येक की अपनी चमक या तीव्रता होती है। एक इंद्रधनुष, या प्रिज्म, इन घटक रंगों को अलग-अलग दिशाओं में भेजता है, जिससे वे अलग-अलग कोणों पर व्यक्तिगत रूप से दिखाई देते हैं। आवृत्ति (प्रत्येक रंग की चमक को दर्शाते हुए) के खिलाफ प्लॉट की गई तीव्रता का एक ग्राफ प्रकाश की आवृत्ति स्पेक्ट्रम है। जब सभी दृश्य आवृत्तियाँ समान रूप से मौजूद होती हैं, तो प्रकाश का कथित रंग सफेद होता है, और वर्णक्रम एक सपाट रेखा होती है। इसलिए, सामान्य रूप से सपाट-रेखा स्पेक्ट्रा को अक्सर सफेद के रूप में संदर्भित किया जाता है, चाहे वे प्रकाश या किसी अन्य प्रकार की तरंग घटना (ध्वनि, उदाहरण के लिए, या संरचना में कंपन) का प्रतिनिधित्व करते हों। रेडियो और दूरसंचार में, आवृत्ति स्पेक्ट्रम को कई अलग-अलग प्रसारकों के बीच साझा किया जा सकता है। रेडियो स्पेक्ट्रम 300 गीगाहर्ट्ज़ से कम आवृत्तियों के अनुरूप विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का हिस्सा है, जो लगभग 1 मिमी से अधिक लंबी तरंग दैर्ध्य के अनुरूप है। माइक्रोवेव स्पेक्ट्रम 300 मेगाहर्ट्ज (0.3 गीगाहर्ट्ज) और 300 गीगाहर्ट्ज के बीच की आवृत्तियों और एक मीटर और एक मिलीमीटर के बीच की तरंग दैर्ध्य से मेल खाता है। प्रत्येक प्रसारण रेडियो और टीवी स्टेशन एक निर्धारित आवृत्ति सीमा पर एक तरंग प्रसारित करता है, जिसे चैनल कहा जाता है। जब कई प्रसारक मौजूद होते हैं, तो रेडियो स्पेक्ट्रम में सभी अलग-अलग चैनलों का योग होता है, जिनमें से प्रत्येक में अलग-अलग जानकारी होती है, जो एक विस्तृत आवृत्ति स्पेक्ट्रम में फैली होती है। कोई भी विशेष रेडियो रिसीवर आयाम (वोल्टेज) बनाम समय के एकल कार्य का पता लगाएगा। रेडियो तब एक एकल चैनल या आवृत्ति बैंड का चयन करने के लिए एक ट्यून किए गए सर्किट या ट्यूनर का उपयोग करता है और उस प्रसारक से जानकारी को डिमॉड्यूलेट या डिकोड करता है। यदि हम प्रत्येक चैनल की ताकत बनाम ट्यूनर की आवृत्ति का ग्राफ बनाते हैं, तो यह एंटीना संकेत की आवृत्ति स्पेक्ट्रम होगी। खगोलीय स्पेक्ट्रोस्कोपी में, अवशोषण और उत्सर्जन रेखाओं की ताकत, आकार और स्थिति के साथ-साथ निरंतरता का समग्र वर्णक्रमीय ऊर्जा वितरण, खगोलीय वस्तुओं के कई गुणों को प्रकट करता है। तारकीय वर्गीकरण तारों का उनकी विशेषता विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रा के आधार पर वर्गीकरण है। वर्णक्रमीय प्रवाह घनत्व का उपयोग एक प्रकाश-स्रोत के वर्णक्रम का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जाता है, जैसे कि एक तारा। रेडियोमेट्री और कलरमेट्री (या आम तौर पर रंग विज्ञान) में, प्रकाश स्रोत का वर्णक्रमीय शक्ति वितरण (एस. पी. डी.) प्रकाश स्रोत में प्रत्येक आवृत्ति या रंग द्वारा योगदान की गई शक्ति का एक माप है। प्रकाश वर्णक्रम को आमतौर पर दृश्य वर्णक्रम के साथ बिंदुओं (अक्सर 31) पर मापा जाता है, आवृत्ति स्थान के बजाय तरंग दैर्ध्य स्थान में, जो इसे सख्ती से वर्णक्रमीय घनत्व नहीं बनाता है। कुछ स्पेक्ट्रोफोटोमीटर वृद्धि को एक से दो नैनोमीटर तक ठीक से माप सकते हैं और 0.5 एनएम से कम रिज़ॉल्यूशन वाले उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले उपकरणों की भी सूचना दी गई है। मानों का उपयोग अन्य विनिर्देशों की गणना करने के लिए किया जाता है और फिर स्रोत की वर्णक्रमीय विशेषताओं को दिखाने के लिए प्लॉट किया जाता है। यह किसी विशेष स्रोत की रंग विशेषताओं का विश्लेषण करने में सहायक हो सकता है। द्रव्यमान स्पेक्ट्रम द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात के एक कार्य के रूप में आयन प्रचुरता के एक भूखंड को द्रव्यमान स्पेक्ट्रम कहा जाता है। इसका उत्पादन मास स्पेक्ट्रोमीटर उपकरण द्वारा किया जा सकता है। द्रव्यमान वर्णक्रम का उपयोग परमाणुओं और अणुओं की मात्रा और द्रव्यमान निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। आणविक संरचना निर्धारित करने के लिए टेंडम मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग किया जाता है। भौतिकी में, एक कण का ऊर्जा वर्णक्रम कणों की संख्या या कण ऊर्जा के एक कार्य के रूप में एक कण किरण की तीव्रता है। ऊर्जा स्पेक्ट्रम का उत्पादन करने वाली तकनीकों के उदाहरण हैं अल्फा-कण स्पेक्ट्रोस्कोपी, इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी और द्रव्यमान-विश्लेषण आयन-गतिज-ऊर्जा स्पेक्ट्रोमेट्री। कंपन सहित विस्थापन ऑसिलेटरी विस्थापन को भी वर्णक्रमीय रूप से चिह्नित किया जा सकता है। जल तरंगों के लिए, तरंग वर्णक्रम और ज्वार वर्णक्रम देखें। ध्वनि और गैर-श्रव्य ध्वनिक तरंगों को इसके वर्णक्रमीय घनत्व के संदर्भ में भी चिह्नित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, लय और संगीत ध्वनिकी। ध्वनिकी में, एक स्पेक्ट्रोग्राम समय या किसी अन्य चर के कार्य के रूप में ध्वनि की आवृत्ति स्पेक्ट्रम का एक दृश्य प्रतिनिधित्व है। ध्वनि के स्रोत में कई अलग-अलग आवृत्तियाँ मिश्रित हो सकती हैं। एक संगीत स्वर की लय इसकी हार्मोनिक स्पेक्ट्रम द्वारा विशेषता है। हमारे वातावरण में ध्वनि जिसे हम शोर के रूप में संदर्भित करते हैं, उसमें कई अलग-अलग आवृत्तियाँ शामिल हैं। जब एक ध्वनि संकेत में सभी श्रव्य आवृत्तियों का मिश्रण होता है, जो ऑडियो स्पेक्ट्रम पर समान रूप से वितरित होता है, तो इसे सफेद शोर कहा जाता है। स्पेक्ट्रम विश्लेषक एक ऐसा उपकरण है जिसका उपयोग संगीत स्वर की ध्वनि तरंग को घटक आवृत्तियों के दृश्य प्रदर्शन में बदलने के लिए किया जा सकता है। इस दृश्य प्रदर्शन को एक ध्वनिक वर्णक्रम के रूप में संदर्भित किया जाता है। सॉफ्टवेयर आधारित ऑडियो स्पेक्ट्रम विश्लेषक कम लागत पर उपलब्ध हैं, जो न केवल उद्योग पेशेवरों के लिए, बल्कि शिक्षाविदों, छात्रों और शौकीनों के लिए भी आसान पहुंच प्रदान करते हैं। स्पेक्ट्रम विश्लेषक द्वारा उत्पन्न ध्वनिक स्पेक्ट्रोग्राम संगीत स्वर का एक ध्वनिक हस्ताक्षर प्रदान करता है। मौलिक आवृत्ति और इसके स्वरों को प्रकट करने के अलावा, स्पेक्ट्रोग्राम सांगीतिक स्वर के अस्थायी हमले, क्षय, निरंतरता और रिलीज के विश्लेषण के लिए भी उपयोगी है। निरंतर बनाम असतत स्पेक्ट्रा भौतिक विज्ञान में, एक भौतिक मात्रा (जैसे ऊर्जा) के स्पेक्ट्रम को निरंतर कहा जा सकता है यदि यह पूरे स्पेक्ट्रम डोमेन (जैसे आवृत्ति या तरंग दैर्ध्य) पर गैर-शून्य है या असतत कहा जा सकता है यदि यह केवल स्वतंत्र चर पर एक असतत सेट में गैर-शून्य मान प्राप्त करता है, वर्णक्रमीय बैंड या वर्णक्रमीय रेखाओं के जोड़े के बीच बैंड अंतराल के साथ। एक निरंतर वर्णक्रम का शास्त्रीय उदाहरण, जिससे नाम लिया गया है, हाइड्रोजन के उत्तेजित परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित प्रकाश के वर्णक्रम का हिस्सा है जो मुक्त इलेक्ट्रॉनों के हाइड्रोजन आयन से बंधे होने और फोटॉन उत्सर्जित करने के कारण होता है, जो आसानी से तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में फैलते हैं, इसके विपरीत इलेक्ट्रॉनों के कारण असतत रेखाएं किसी बाध्य क्वांटम अवस्था से कम ऊर्जा की स्थिति में गिरती हैं। जैसा कि उस शास्त्रीय उदाहरण में, इस शब्द का उपयोग अक्सर तब किया जाता है जब किसी भौतिक मात्रा के मूल्यों की सीमा में निरंतर और असतत दोनों भाग हो सकते हैं, चाहे वह एक ही समय में हो या अलग-अलग स्थितियों में। क्वांटम प्रणालियों में, निरंतर स्पेक्ट्रा (जैसे ब्रेम्सस्ट्रालंग और थर्मल रेडिएशन में) आमतौर पर मुक्त कणों से जुड़े होते हैं, जैसे कि गैस में परमाणु, इलेक्ट्रॉन बीम में इलेक्ट्रॉन, या धातु में चालन बैंड इलेक्ट्रॉन। विशेष रूप से, एक मुक्त कण की स्थिति और गति में एक निरंतर वर्णक्रम होता है, लेकिन जब कण एक सीमित स्थान तक सीमित होता है तो इसका वर्णक्रम असतत हो जाता है। अक्सर एक निरंतर स्पेक्ट्रम एक असतत स्पेक्ट्रम के लिए सिर्फ एक सुविधाजनक मॉडल हो सकता है जिसके मान अलग किए जाने के बहुत करीब हैं, जैसा कि एक क्रिस्टल में फोनोन में होता है। भौतिक प्रणालियों के निरंतर और असतत स्पेक्ट्रा को कार्यात्मक विश्लेषण में एक कार्य स्थान पर कार्य करने वाले एक रैखिक प्रचालक के स्पेक्ट्रम के अपघटन में विभिन्न भागों के रूप में मॉडल किया जा सकता है, जैसे कि हैमिल्टनियन प्रचालक। एक असतत वर्णक्रम का शास्त्रीय उदाहरण (जिसके लिए इस शब्द का पहली बार उपयोग किया गया था) एक रासायनिक तत्व के पृथक परमाणुओं के उत्सर्जन वर्णक्रम और अवशोषण वर्णक्रम में देखी जाने वाली असतत वर्णक्रमीय रेखाओं का विशिष्ट समूह है, जो केवल विशेष तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं। स्पेक्ट्रोस्कोपी की तकनीक इस घटना पर आधारित है। असतत स्पेक्ट्रा कई अन्य घटनाओं में देखा जाता है, जैसे कि कंपनशील तार, धातु गुहा में सूक्ष्म तरंगें, एक स्पंदित तारे में ध्वनि तरंगें, और उच्च-ऊर्जा कण भौतिकी में अनुनाद। भौतिक प्रणालियों में असतत स्पेक्ट्रा की सामान्य घटना को गणितीय रूप से कार्यात्मक विश्लेषण के उपकरणों के साथ मॉडल किया जा सकता है, विशेष रूप से एक कार्यात्मक स्थान पर कार्य करने वाले एक रैखिक प्रचालक के स्पेक्ट्रम के अपघटन द्वारा। शास्त्रीय यांत्रिकी में शास्त्रीय यांत्रिकी में, असतत स्पेक्ट्रा अक्सर एक बंधी हुई वस्तु या क्षेत्र में तरंगों और दोलनों से जुड़े होते हैं। गणितीय रूप से उन्हें विभेदक प्रचालक के आइगेनवैल्यू के साथ पहचाना जा सकता है जो समय और/या स्थान के फलन के रूप में कुछ निरंतर चर (जैसे तनाव या दबाव) के विकास का वर्णन करते हैं। असतत स्पेक्ट्रा का उत्पादन कुछ गैर-रैखिक ऑसिलेटर द्वारा भी किया जाता है जहाँ प्रासंगिक मात्रा में एक गैर-साइनसॉइडल तरंग रूप होता है। स्तनधारियों की मुखर डोरियों द्वारा उत्पन्न ध्वनि उल्लेखनीय उदाहरण हैं। और क्रिकेट के स्ट्रिड्यूलेशन अंग, जिनका स्पेक्ट्रम आवृत्तियों पर मजबूत रेखाओं की एक श्रृंखला दिखाता है जो दोलन आवृत्ति के पूर्णांक गुणक (हार्मोनिक्स) हैं। एक संबंधित घटना मजबूत हार्मोनिक्स की उपस्थिति है जब एक साइनसॉइडल संकेत (जिसमें अंतिम "असतत स्पेक्ट्रम" होता है, जिसमें एक एकल वर्णक्रमीय रेखा होती है) को एक गैर-रैखिक फ़िल्टर द्वारा संशोधित किया जाता है; उदाहरण के लिए, जब एक शुद्ध स्वर को एक अतिभारित प्रवर्धक के माध्यम से बजाया जाता है, या जब एक तीव्र एकवर्णी लेजर किरण एक गैर-रैखिक माध्यम से गुजरती है। बाद के मामले में, यदि आवृत्ति f और g के साथ दो मनमाने साइनसॉइडल संकेतों को एक साथ संसाधित किया जाता है, तो आउटपुट संकेत में आम तौर पर आवृत्ति पर वर्णक्रमीय रेखाएँ होंगी, जहाँ m और n कोई भी पूर्णांक हैं। क्वांटम यांत्रिकी में क्वांटम यांत्रिकी में, एक अवलोकन योग्य का असतत वर्णक्रम उस अवलोकन योग्य मॉडल के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रचालक के आईगन मानों से मेल खाता है। ऐसे प्रचालक के गणितीय सिद्धांत के अनुसार, इसके आइगेनवैल्यू अलग-अलग बिंदुओं का एक असतत समूह है, जो या तो सीमित या गणना योग्य हो सकते हैं। असतत स्पेक्ट्रा आमतौर पर उन प्रणालियों के साथ जुड़े होते हैं जो कुछ अर्थों में बंधे होते हैं (गणितीय रूप से, एक सघन स्थान तक सीमित)। स्थिति और संवेग प्रचालकों के पास एक अनंत क्षेत्र में निरंतर स्पेक्ट्रा होता है, लेकिन एक संक्षिप्त क्षेत्र में एक असतत (मात्रात्मक) स्पेक्ट्रम और कोणीय गति, हैमिल्टनियन और क्वांटम प्रणालियों के अन्य प्रचालकों के लिए स्पेक्ट्रा के समान गुण होते हैं। क्वांटम हार्मोनिक ऑसिलेटर और हाइड्रोजन परमाणु भौतिक प्रणालियों के उदाहरण हैं जिनमें हैमिल्टनियन में एक असतत वर्णक्रम होता है। हाइड्रोजन परमाणु के मामले में वर्णक्रम में एक निरंतर और एक असतत दोनों भाग होते हैं, निरंतर भाग आयनीकरण का प्रतिनिधित्व करता है। भौतिकी प्रकाश में संदर्भ अवधारणाएँ भी देखें।