Материя мен электромагниттік сәулеленуді зерттеу: спектроскопияның негіздері

Кіріспе

Материя және электромагниттік сәулеленуді зерттеу.

Спектроскопия – электромагниттік спектрлерді өлшеу және интерпретациялау саласы.

Кіріспе

Спектроскопия – материяның құрылымы мен қасиеттері туралы ақпарат алу үшін электромагниттік сәулелену спектрлерін, олардың толқын ұзындығы немесе жиілігіне байланысты, спектрографиялық жабдықтар және басқа да әдістермен зерттейтін ғылым саласы. Спектрлік өлшеу құрылғылары спектрометрлер, спектрофотометрлер, спектрографтар немесе спектрлік анализаторлар деп аталады. Лабораториядағы спектроскопиялық талдау көбінесе зерттелетін үлгіні алудан басталады, содан кейін қажетті жарық спектрінің диапазонынан жарық көзі таңдалады, жарық үлгі арқылы өтіп, дисперсиялық массивке (дифракциялық торлы құрал) жетеді және фотодиодпен тіркеледі. Астрономиялық мақсаттар үшін телескоп жарық дисперсиялайтын құралмен жабдықталуы керек. Бұл негізгі құрылымның түрлі нұсқалары бар. Спектроскопияның бастауы Исаак Ньютонның призма арқылы жарықты бөлуімен байланысты; бұл қазіргі заманғы оптиканың дамуындағы маңызды кезең болды. Сондықтан, бастапқыда біз «түс» деп атайтын көрінетін жарықты зерттеумен айналысты, бірақ Джеймс Клерк Максвеллдің зерттеулерінен кейін ол электромагниттік спектрдің барлық диапазонын қамтуға кеңейді. Спектроскопияда түс маңызды болғанымен, ол элементтердің немесе заттардың түсімен теңелмейді, себебі түс – бұл белгілі бір электромагниттік толқындардың сіңірілуі және шағылысуы нәтижесінде біздің көзімізге түсетін сезім. Керісінше, спектроскопия жарықты призмамен, дифракциялық тормен немесе осыған ұқсас құралдармен бөлуді қамтиды, нәтижесінде әр түрлі элементтерге тән ерекше дискретті сызықтардан тұратын «спектр» пайда болады. Көптеген элементтерді алдымен газ тәрізді күйге келтіріп, спектрлерін зерттейді, бірақ қазіргі таңда басқа фазаларда да қолдануға болатын әдістер бар. Призма сияқты құрал арқылы дифракцияланатын әрбір элемент, элемент салқындатылса немесе қыздырылса, сіңіру спектрін немесе эмиссия спектрін көрсетеді. Соңғы уақытқа дейін барлық спектроскопия сызықтық спектрлерді зерттеумен байланысты болды және спектроскопияның көп бөлігі әлі де солай. Дыбыстық спектроскопия – спектрлерді зерттейтін спектроскопияның бір саласы. Алайда, спектроскопияның соңғы жетістіктері кейде дисперсиялық әдісті қажет етпейді. Биохимиялық спектроскопияда сіңіру және жарық шашырату әдістері арқылы биологиялық тіндер туралы ақпарат алуға болады. Жарық шашырату спектроскопиясы – бұл рефлектанс спектроскопиясының бір түрі, ол эластикалық шашырауды зерттеу арқылы тіндердің құрылымын анықтайды. Мұндай жағдайда, тіндер дифракциялық немесе дисперсиялық механизм ретінде әрекет етеді. Спектроскопиялық зерттеулер кванттық механиканың дамуында маңызды рөл атқарды, өйткені алғашқы пайдалы атомдық модельдер сутегінің спектрлерін сипаттады, оларға Бор моделі, Шредингер теңдеуі және Матрицалық механика кіреді, олардың барлығы сутегінің спектрлік сызықтарын шығарады, демек, дискретті сутегі спектріне сәйкес келетін дискретті кванттық секірулердің негізін қалады. Сонымен қатар, Макс Планктың қара дене сәулеленуін түсіндіруі спектроскопиямен байланысты болды, өйткені ол фотометрді пайдаланып жарықтың толқын ұзындығын қара дененің температурасымен салыстырды. Спектроскопия физикалық және аналитикалық химияда қолданылады, өйткені атомдар мен молекулалардың ерекше спектрлері бар. Сондықтан, бұл спектрлер атомдар мен молекулалар туралы ақпаратты анықтау, сәйкестендіру және сандық өлшеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Спектроскопия астрономияда және Жердегі қашықтан зондтауда да қолданылады. Көптеген зерттеу телескоптарында спектрографтар орнатылған. Өлшенген спектрлер астрономиялық объектілердің химиялық құрамын және физикалық қасиеттерін (олардың температурасын, жұлдыздағы элементтердің тығыздығын, жылдамдығын, қара тесіктерді және т.б.) анықтау үшін қолданылады. Спектроскопияның маңызды қолданылуы биохимияда. Молекулалық үлгілер түрлерін анықтау және энергиялық мазмұны үшін талдауға болады.

Spectroscopy is a branch of science concerned with the spectra of electromagnetic radiation as a function of its wavelength or frequency measured by spectrographic equipment, and other techniques, in order to obtain information concerning the structure and properties of matter. Spectral measurement devices are referred to as spectrometers, spectrophotometers, spectrographs or spectral analyzers. Most spectroscopic analysis in the laboratory starts with a sample to be analyzed, then a light source is chosen from any desired range of the light spectrum, then the light goes through the sample to a dispersion array (diffraction grating instrument) and captured by a photodiode. For astronomical purposes, the telescope must be equipped with the light dispersion device. There are various versions of this basic setup that may be employed. Spectroscopy began with Isaac Newton splitting light with a prism; a key moment in the development of modern optics. Therefore, it was originally the study of visible light which we call color that later under the studies of James Clerk Maxwell came to include the entire electromagnetic spectrum. Although color is involved in spectroscopy, it is not equated with the color of elements or objects which involve the absorption and reflection of certain electromagnetic waves to give objects a sense of color to our eyes. Rather spectroscopy involves the splitting of light by a prism, diffraction grating, or similar instrument, to give off a particular discrete line pattern called a "spectrum" unique to each different type of element. Most elements are first put into a gaseous phase to allow the spectra to be examined although today other methods can be used on different phases. Each element that is diffracted by a prism like instrument displays either an absorption spectrum or an emission spectrum depending upon whether the element is being cooled or heated. Until recently all spectroscopy involved the study of line spectra and most spectroscopy still does. Vibrational spectroscopy is the branch of spectroscopy that studies the spectra. However, the latest developments in spectroscopy can sometimes dispense with the dispersion technique. In biochemical spectroscopy, information can be gathered about biological tissue by absorption and light scattering techniques. Light scattering spectroscopy is a type of reflectance spectroscopy that determines tissue structures by examining elastic scattering. In such a case, it is the tissue that acts as a diffraction or dispersion mechanism. Spectroscopic studies were central to the development of quantum mechanics, because the first useful atomic models described the spectra of hydrogen which models include the Bohr model, the Schrödinger equation, and Matrix mechanics which all can produce the spectral lines of hydrogen, therefore providing the basis for discrete quantum jumps to match the discrete hydrogen spectrum. Also, Max Planck's explanation of blackbody radiation involved spectroscopy because he was comparing the wavelength of light using a photometer to the temperature of a Black Body. Spectroscopy is used in physical and analytical chemistry because atoms and molecules have unique spectra. As a result, these spectra can be used to detect, identify and quantify information about the atoms and molecules. Spectroscopy is also used in astronomy and remote sensing on Earth. Most research telescopes have spectrographs. The measured spectra are used to determine the chemical composition and physical properties of astronomical objects (such as their temperature, density of elements in a star, velocity, black holes and more). An important use for spectroscopy is in biochemistry. Molecular samples may be analyzed for species identification and energy content.

Теория

Спектроскопияның негізгі қағидасы – жарық әртүрлі толқын ұзындықтарынан тұрады және әрбір толқын ұзындығына белгілі бір жиілік сәйкес келеді. Спектроскопияның маңыздылығы, периодтық кестедегі әрбір элементтің жарық дифракцияланғанда электромагниттік спектрдің бір бөлігінде тұрақты түрде қайталанататын жарық жиіліктері арқылы сипатталатын өзгеше жарық спектрінің болуымен байланысты. Бұл атомдарды қамтитын барлық материяны зерттеуге жаңа мүмкіндіктер ашты. Спектроскопия – барлық материяның атомдық қасиеттерін түсінудің кілті. Осылайша, спектроскопия әлі ашылмаған көптеген ғылым салаларын дамытуға ықпал етті. Әрбір атомдық элементтің өзіне тән спектральдік белгісі бар екендігі, спектроскопияны әртүрлі салаларда қолдануға мүмкіндік берді, олардың әрқайсысы әртүрлі спектроскопиялық әдістер арқылы нақты мақсаттарға жетеді. Ұлттық Стандарттар және Технология Институты үнемі нақты өлшемдермен жаңартылатын атомдық спектрлердің қорын ұстап тұрады. Спектроскопия саласының кеңеюіне себеп – электромагниттік спектрдің кез келген бөлігін пайдаланып, сынаманы инфрақызыл сәуледен ультракөк сәулеге дейін талдау арқылы ғалымдардың бір сынаманың әртүрлі қасиеттерін анықтай алуы. Мысалы, химиялық талдауда ең көп қолданылатын спектроскопия түрлері: атомдық спектроскопия, инфрақызыл спектроскопия, ультракөк және көрінетін спектроскопия, Раман спектроскопиясы және ядролық магниттік резонанс. Ядролық магниттік резонанста (ЯМР) жиілік резонансқа және оның сәйкес резонанстық жиілігіне тең деп қарастырылады. Жиіліктер арқылы резонанс құбылысы алғаш рет Галилей атап өткендей, маятниктер сияқты механикалық жүйелерде сипатталған.

Әдістерді жіктеу

Спектроскопия – өте кең сала болып табылады, сондықтан оның көптеген кіші салалары бар, әрқайсысы белгілі спектроскопиялық техникалардың көптеген қолданылуымен сипатталады. Осы қолданылулар мен техникаларды әр түрлі жолдармен жіктеуге болады.

Сәулелену энергиясының түрі

Спектроскопияның түрлері өзара әрекеттесуге қатысатын сәулелену энергиясының түріне қарай ажыратылады. Көптеген жағдайларда спектр осы энергияның қарқындылығы мен жиілігінің өзгеруін өлшеу арқылы анықталады. Зерттелетін сәулелену энергиясының түрлері: Электромагниттік сәулелену – спектроскопиялық зерттеулерде қолданылған алғашқы энергия көзі. Электромагниттік сәулеленуді пайдаланатын техникалар, әдетте, спектрдің толқын ұзындығы диапазоны бойынша жіктеледі және микротолқынды, терагерцтік, инфрақызыл, жақын инфрақызыл, ультракөк сәулелі, көрінетін, рентген және гамма спектроскопиясын қамтиды. Бөлшектер, де Бройли толқындарының болуына байланысты, сәулелену энергиясының көзі болып табылуы мүмкін. Электрондық және нейтрондық спектроскопиялар кеңінен қолданылады. Бөлшектің кинетикалық энергиясы оның толқын ұзындығын анықтайды. Акустикалық спектроскопия – сәулеленетін қысым толқындарымен байланысты. Динамикалық механикалық талдау қатты материалдарға акустикалық толқындарға ұқсас сәулелену энергиясын беру үшін қолданылуы мүмкін.

Өзара әрекеттесудің сипаты

Спектроскопияның түрлері энергия мен материал арасындағы өзара әрекеттесу сипаты бойынша да ажыратылады. Осы өзара әрекеттесулерге мыналар жатады: Абсорбция спектроскопиясы: Абсорбция, сәулелену көзінен энергия материалға сіңірілген кезде пайда болады. Абсорбция көбінесе материал арқылы өтетін энергияның мөлшерін өлшеу арқылы анықталады, абсорбция өткен бөліктің көлемін азайтады. Эмиссия спектроскопиясы: Эмиссия материалдың сәулелену энергиясын шығаратынын көрсетеді. Материалдың абсолют қара дене спектрі – температурасымен анықталатын спонтанды эмиссия спектрі. Бұл ерекшелікті инфрақызыл сәуледе атмосфералық сәулелену интерферометрі сияқты құралдармен өлшеуге болады. Эмиссияны жалын, ұшқын, электр доғасы немесе флуоресценция жағдайында электромагниттік сәулелену сияқты басқа энергия көздері де тудыруы мүмкін. Эластикалық шашырау және бейнелеу спектроскопиясы материалға түсетін сәулеленудің қалай шашыратылатынын немесе бейнеленетінін анықтайды. Кристаллографияда атомдардың белоктар мен қатты кристалдардағы орналасуын зерттеу үшін рентген сәулелері мен электрондар сияқты жоғары энергиялы сәулеленудің шашырауы қолданылады. Импеданс спектроскопиясы: Импеданс – ортаның энергияның өтуіне кедері келтіру немесе баяулату қабілеті. Оптикалық қолданыстар үшін бұл көрсеткішпен сипатталады. Инеластикалық шашырау құбылысы сәулелену мен зат арасындағы энергия алмасуды қамтиды, бұл шашыраған сәулеленудің толқын ұзындығын өзгертеді. Бұларға Раман және Комптон шашырауы жатады. Когерентті немесе резонанстық спектроскопия – сәулеленуші энергияның сәулелену өрісімен жалғасатын когерентті өзара әрекеттесуде материалдың екі кванттық күйін байланыстыратын әдістер. Когеренттілік бөлшектердің соқтығысуы және энергияның берілуі сияқты басқа өзара әрекеттесулермен бұзылуы мүмкін, сондықтан көбінесе жоғары интенсивті сәулеленуді қажет етеді. Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы – кеңінен қолданылатын резонанстық әдіс, инфрақызыл және көрінетін спектрлік аймақтардағы ультражылдам лазерлік спектроскопия да мүмкін. Ядролық спектроскопия – материяның жергілікті құрылымын, негізінен конденсатталған заттарды, сұйықтықтардағы немесе қатырылған сұйықтықтардағы молекулаларды және биомолекулаларды зерттеу үшін нақты ядролардың қасиеттерін пайдаланатын әдістер. Кванттық логикалық спектроскопия – лазерлік салқындатуды, күйді басқаруды және анықтауды болдырмайтын ішкі құрылымдары бар иондардың дәл спектроскопиясын жүзеге асыруға мүмкіндік беретін ион тұзақтарында қолданылатын жалпы техника. Кванттық логикалық операциялар басқарылатын ионға күрделі немесе белгісіз электрондық құрылымы бар бірге тұтылған ионмен ақпарат алмасуға мүмкіндік береді.

The types of spectroscopy also can be distinguished by the nature of the interaction between the energy and the material. These interactions include:
Absorption spectroscopy: Absorption occurs when energy from the radiative source is absorbed by the material. Absorption is often determined by measuring the fraction of energy transmitted through the material, with absorption decreasing the transmitted portion. Emission spectroscopy: Emission indicates that radiative energy is released by the material. A material's blackbody spectrum is a spontaneous emission spectrum determined by its temperature. This feature can be measured in the infrared by instruments such as the atmospheric emitted radiance interferometer. Emission can also be induced by other sources of energy such as flames, sparks, electric arcs or electromagnetic radiation in the case of fluorescence. Elastic scattering and reflection spectroscopy determine how incident radiation is reflected or scattered by a material. Crystallography employs the scattering of high energy radiation, such as x rays and electrons, to examine the arrangement of atoms in proteins and solid crystals. Impedance spectroscopy: Impedance is the ability of a medium to impede or slow the transmittance of energy. For optical applications, this is characterized by the index of refraction. Inelastic scattering phenomena involve an exchange of energy between the radiation and the matter that shifts the wavelength of the scattered radiation. These include Raman and Compton scattering. Coherent or resonance spectroscopy are techniques where the radiative energy couples two quantum states of the material in a coherent interaction that is sustained by the radiating field. The coherence can be disrupted by other interactions, such as particle collisions and energy transfer, and so often require high intensity radiation to be sustained. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a widely used resonance method, and ultrafast laser spectroscopy is also possible in the infrared and visible spectral regions. Nuclear spectroscopy are methods that use the properties of specific nuclei to probe the local structure in matter, mainly condensed matter, molecules in liquids or frozen liquids and bio molecules. Quantum logic spectroscopy is a general technique used in ion traps which enables precision spectroscopy of ions with internal structures that preclude laser cooling, state manipulation, and detection. Quantum logic operations enable a controllable ion to exchange information with a co trapped ion that has a complex or unknown electronic structure.

Материалдың түрі

Спектроскопиялық зерттеулер сәулелену энергиясының нақты түрлерімен әрекеттесетіндей етіп жоспарластырылады.

Атомдар

Атомдық спектроскопия – спектроскопияның алғашқы қолданылуы болды. Атомдық жұтылу спектроскопиясы және атомдық эмиссия спектроскопиясы көрінетін және ультракүлгін сәулелерді пайдаланады. Бұл сіңірулер мен эмиссиялар, көбінесе атомдық спектрлік сызықтар деп аталады, сыртқы қабықтағы электрондардың бір электрондық орбитадан екіншісіне өтуінен туындайды. Атомдардың ерекше рентген спектрлері де бар, олар ішкі қабықтағы электрондардың қозу күйіне өтуіне байланысты. Әртүрлі элементтердің атомдарының спектрлері әртүрлі болғандықтан, атомдық спектроскопия үлгінің элементтік құрамын анықтауға және мөлшерлеуге мүмкіндік береді. Роберт Бунсен мен Густав Кирхгофф спектроскопты ойлап тапқаннан кейін, эмиссиялық спектрлерін бақылап жаңа элементтерді ашты. Атомдық жұтылу сызықтары күн спектрінде байқалады және оларды ашқан ғалымның құрметіне Фраунгофер сызықтары деп аталады. Сутек спектрін толық түсіндіру кванттық механиканың алғашқы жетістігі болды және сутек спектрінде байқалатын Лэмб ығысуын түсіндірді, бұл кванттық электродинамиканың дамуына ықпал етті. Көрінетін және ультракүлгін өтулерді зерттеуге арналған атомдық спектроскопияның қазіргі заманғы әдістеріне жалындық эмиссия спектроскопиясы, индуктивті түрлендірілген плазмалық атомдық эмиссия спектроскопиясы, жарқырауды тудыру спектроскопиясы, микротолқынды индуцирленген плазма спектроскопиясы және ұшқындық немесе доғалық эмиссия спектроскопиясы жатады. Рентген спектрлерін зерттеу әдістеріне рентген спектроскопиясы және рентген флуоресценциясы кіреді.

Молекулалар

Атомдардың молекулаларға бірігуі ерекше энергиялық күйлердің және осы күйлер арасындағы өтулердің ерекше спектрлерін құруға алып келеді. Молекулалық спектрлер электрондық спин күйлері (электрондық парамагниттік резонанс), молекулалық айналымдар, молекулалық дірілдеу және электрондық күйлер арқылы алынады. Айналым – атом ядроларының ұжымдық қозғалысы, ол әдетте микротолқындық және миллиметрлік толқындық спектрлік аймақтарда спектрлерге әкеледі. Айналымдық спектроскопия және микротолқындық спектроскопия – мағынасы бірдей сөздер. Дірілдеу – атом ядроларының салыстырмалы қозғалысы, және ол инфрақызыл және Раман спектроскопиясымен зерттеледі. Электрондық қозулар көру және ультракүлгін спектроскопиясымен, сондай-ақ люминесценциялық спектроскопиямен зерттеледі. Молекулалық спектроскопияны зерттеулер алғашқы мазердің жасалуына және кейіннен лазердің дамуына үлкен үлес қосты.

Кристалдар және кеңейтілген материалдар

Атомдар мен молекулалардың кристалл немесе басқа кеңейтілген түзілімдерге бірігуі қосымша энергетикалық күйлердің пайда болуына әкеледі. Бұл күйлер көптеген, сондықтан олардың күй тығыздығы жоғары болады. Мұндай жоғары тығыздық спектрлерді әлсіретіп, ажыратымдылығын төмендетеді, яғни кеңейтеді. Мысалы, қара дене сәулеленуі – материал ішіндегі атомдар мен молекулалардың жылулық қозғалысының нәтижесі. Акустикалық және механикалық жауаптар да ұжымдық қозғалыстарға байланысты. Дегенмен, таза кристаллдарда анық спектрлік өтулер болуы мүмкін, ал кристаллдық құрылым байқалатын молекулалық спектрлерге де әсер етеді. Кристаллдардың реттелген торлы құрылымы рентген сәулелерін, электрондарды немесе нейтрондарды шашыратып, кристаллографиялық зерттеулер жүргізуге мүмкіндік береді.

Ядролар

Ядролардың да ерекше энергиялық күйлері бар, олар бір-бірінен айқын ажыратылып, гамма-сәулелер спектріне алып келеді. Ядролық спин күйлерінің айырмашылығы магниттік өріс арқылы энергиялық деңгейлерге бөлінеді, бұл ядролық магниттік резонанс спектроскопиясын жүргізуге мүмкіндік береді.

Тарих

Спектроскопия тарихы Исаак Ньютонның оптикалық тәжірибелерімен (1666–1672) басталды. Эндрю Фракной мен Дэвид Моррисонның сөзіне сәйкес, "1672 жылы Исаак Ньютон Корольдік қоғамға ұсынған алғашқы мақаласында күн сәулесінің кішкентай тесіктен, содан кейін призмадан өтуіне мүмкіндік берген тәжірибе туралы айтты. Ньютонның пікірінше, біз ақ деп қабылдайтын күн сәулесі, іс жүзінде, барлық жаңбыр түстерінің қосындысынан тұрады". Ньютон ақ жарықтың құрамына кіретін түстердің жауын-шашырауына сипаттама беру үшін "спектр" деген сөзді қолданды. Фракной мен Моррисон былай деді: "1802 жылы Уильям Хайд Волластон Күн спектрін экранға шоғырландыру үшін линзасы бар жақсартылған спектрометр құрастырды. Оны қолданғаннан кейін Волластон түстердің біркелкі таралмағанын, керісінше, спектрде қараңғы жолақтар түрінде көрінетін түстердің жоғалған бөліктері бар екенін анықтады". 1800 жылдардың басында Джозеф фон Фраунгофер дисперсиялық спектрометрлермен тәжірибелік жетістіктерге қол жеткізді, бұл спектроскопияны дәл және сандық ғылыми әдіс ретінде дамытуға мүмкіндік берді. Содан бері спектроскопия химия, физика және астрономия салаларында маңызды рөл атқарып келеді. Фракной мен Моррисонның айтуынша, "кейін, 1815 жылы неміс физигі Джозеф Фраунгофер де күн спектрін зерттеді және қазір Фраунгофер сызықтары немесе сіңіру сызықтары деп аталатын шамамен 600 қара сызық (жоғалған түстер) тапты". Кванттық механикалық жүйелердегі аналогтық резонанс – бұл бір жүйедегі, мысалы, атомдағы, екі кванттық механикалық тұрақты күйдің фотон сияқты осцилляциялық энергия көзі арқылы байланысуы. Егер энергия көзінің энергиясы екі күй арасындағы энергия айырмасына тең болса, екі күйдің байланысы ең күшті болады. Фотонның энергиясы E оның жиілігі ν-ге Планк тұрақтысы h арқылы байланысты, сондықтан жүйеге жауаптың спектрі фотон жиілігіне қарай резонанстық жиілікте немесе энергияда ең жоғары мәнге ие болады. Электрон және нейтрон сияқты бөлшектердің де Бройль қатынастары арқылы кинетикалық энергиясы мен толқын ұзындығы және жиілігі арасында ұқсас байланыс бар, сондықтан олар да резонанстық өзара әрекеттесуді тудыра алады. Атомдар мен молекулалардың спектрлері көбінесе спектрлік сызықтардың сериясынан тұрады, олардың әрқайсысы екі түрлі кванттық күй арасындағы резонансты көрсетеді. Осы серияларды және олармен байланысты спектрлік үлгілерді түсіндіру кванттық механиканың дамуы мен қабылдануын қозғаған тәжірибелік жұмбақтардың бірі болды. Әсіресе сутектің спектрлік сериясы алғаш рет сутек атомының Резерфорд-Бор кванттық моделімен сәтті түсіндірілді. Кейбір жағдайларда спектрлік сызықтар жақсы бөлінеді және ажыратылады, бірақ энергия күйлерінің тығыздығы жеткілікті жоғары болса, спектрлік сызықтар бірігіп, бір ауысу сияқты көрінеді. Сызықтардың атаулы серияларына негізгі, өткір, диффузиялық және фундаменталь сериялар кіреді.

The history of spectroscopy began with Isaac Newton's optics experiments (1666–1672). According to Andrew Fraknoi and David Morrison, "In 1672, in the first paper that he submitted to the Royal Society, Isaac Newton described an experiment in which he permitted sunlight to pass through a small hole and then through a prism. Newton found that sunlight, which looks white to us, is actually made up of a mixture of all the colors of the rainbow." Newton applied the word "spectrum" to describe the rainbow of colors that combine to form white light and that are revealed when the white light is passed through a prism. Fraknoi and Morrison state that "In 1802, William Hyde Wollaston built an improved spectrometer that included a lens to focus the Sun's spectrum on a screen. Upon use, Wollaston realized that the colors were not spread uniformly, but instead had missing patches of colors, which appeared as dark bands in the spectrum." During the early 1800s, Joseph von Fraunhofer made experimental advances with dispersive spectrometers that enabled spectroscopy to become a more precise and quantitative scientific technique. Since then, spectroscopy has played and continues to play a significant role in chemistry, physics, and astronomy. Per Fraknoi and Morrison, "Later, in 1815, German physicist Joseph Fraunhofer also examined the solar spectrum, and found about 600 such dark lines (missing colors), are now known as Fraunhofer lines, or Absorption lines." In quantum mechanical systems, the analogous resonance is a coupling of two quantum mechanical stationary states of one system, such as an atom, via an oscillatory source of energy such as a photon. The coupling of the two states is strongest when the energy of the source matches the energy difference between the two states. The energy E of a photon is related to its frequency ν by where h is Planck's constant, and so a spectrum of the system response vs. photon frequency will peak at the resonant frequency or energy. Particles such as electrons and neutrons have a comparable relationship, the de Broglie relations, between their kinetic energy and their wavelength and frequency and therefore can also excite resonant interactions. Spectra of atoms and molecules often consist of a series of spectral lines, each one representing a resonance between two different quantum states. The explanation of these series, and the spectral patterns associated with them, were one of the experimental enigmas that drove the development and acceptance of quantum mechanics. The hydrogen spectral series in particular was first successfully explained by the Rutherford–Bohr quantum model of the hydrogen atom. In some cases spectral lines are well separated and distinguishable, but spectral lines can also overlap and appear to be a single transition if the density of energy states is high enough. Named series of lines include the principal, sharp, diffuse and fundamental series.