كيف ينشأ الطيف؟

كيف ينشأ الطيف؟ 

إعداد الأستاذ مصطفى سكرية

تعتبر الأطياف جزءاً من الموجات الكهرومغناطيسية وهي شكل من أشكال الطاقة المتنوعة، تتكون الموجات الكهرومغناطيسية من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي متلازمين، وهذه الموجات الكهرومغناطيسية تنشأ إما بشكل طبيعي أو بشكل صناعي، فالموجات الكهرومغناطيسية الطبيعية هي تلك التي تنشا بدون تدخل من الإنسان، على سبيل المثال، أشعة جاما الصادرة من ذرات معينة بطريقة طبيعية، والضوء، حيث يعتبر الضوء الذي تصدره النيران، من أنواع الموجات الكهرومغناطيسية لكنه يختلف عنها بحيث تستطيع العين البشرية التقاطه والتفاعل معه.

أما بالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية الصناعية فهي التي يقوم الإنسان بإنشائها بشكل صناعي لاستخدامها في بعض المجالات، كالضوء المنتج بطريقة صناعية في مصابيح الإنارة، وموجات نقل إشارات الراديو والتلفاز والأقمار الصناعية، والأشعة السينية الصناعية المستخدمة لأهداف طبيةً، الاتصالات اللاسلكية المختلفة وغيرها الكثير.

الصورة في الأسفل توضع المجالات المختلفة للموجات الكهرومغناطيسية.

 كما نرى في الصورة السابقة، فإن الضوء يمثل جزءا يسيرا من الأشعة الكهرومغناطيسية، وهو ما يتراوح طوله الموجي بين 380 nm و750 nm تقريبا.

 للحديث عن الأطياف وأنواعها،

تنقسم الاطياف الى نوعين رئيسين هما الأطياف الانبعاثية Emission Spectrum والأطياف الامتصاصية Absorption Spectrum.

1- طيف الانبعاث Emission Spectrum وهو الطيف الذي تبعثه (تشعه) المواد المتوهجة سواء كانت صلبة ام سائلة ام غازية. وهذا الطيف على نوعين هما:

- طيف الانبعاث المستمر Continuous Spectrum: وهو الذي يصدر عن الأجسام الصلبة والسائلة المتوهجة. مثال الطيف الناتج عن فتيلة المصباح الكهربائي وكذلك من قطعة حديد عندما تسخن الى درجة التوهج الأبيض (مصابيح التنغستاين الوهاجة Incandescent lap).

الصورة مثال الطيف المستمر Continuous Spectrum.

- طيف الانبعاث الخطي Discontinuous Spectrum.

وهو الطيف الذي تبعثه الغازات والابخرة المتوهجة على هيئة خطوط براقة.

وهذه الخطوط يمكن تمييزها باستعمال المطياف Spectroscope.

كما أن عدد هذه الخطوط في كل طيف وكذلك أطوالها الموجية wavelengths تختلف باختلاف نوع ذرات الغاز او البخار.

الصورة أمثلة عن طيف الانبعاث الخطي Discontinuous Spectrum.

كيف ينشأ الطيف الخطي Spectral lines؟

حسب النموذج الذري لبور Bohr فإن ذرات الغازات تتكون من عدة مستوياتEnergy Levels يستطيع الإلكترون Electron الدوران بها حول النواة.

في الحالة السائدة أي الظروف المعتادة من حيث الضغط ودرجة الحرارة، يدور الإلكترون في المدار الأول Fundamental state حيث تكون له أقل طاقة ممكنة ويكون ارتباطه بالنواة أكبر ما يمكن لتكون الذرة مستقرة. فإذا تغيرت تلك الظروف السائدة بتغير الضغط او درجة الحرارة او كليهما معا فإن الالكترون يصبح مستقرا في أحد المدارات المتاحة الأعلى Excited states ويستمر استقراره في المدار الجديد طالما بقيت الظرف الجديد سائدة.  وعندما يقفز الالكترون من مستوى الطاقة العليا الى مستوى الطاقة الاقل لتكون الذرة أكثر استقرارا فإن الذرة تفقد كمية من الطاقة تساوي الفرق بين طاقتي الالكترون في المدارين اللذين حدث بينهما الانتقال. وهذه الطاقة المفقودة تظهر على هيئة فوتون يتوقف طوله الموجي على مقدار الطاقة المفقودة والذي يتوقف بدوره على اتساع القفزة

One photon = one jump، Eph = En – Ep (n>p).

ولهذا السبب يكون طيف الانبعاث الخطي.

نعطي مثالا من النموذج الآتي وفيه رسم مدارات الطاقة Diagrams of energy levels لذرتي الزئبق والهيدروجين

لو فرضنا أن الإلكترون يدور على المدار الرابع في ذرة الهيدروجين وانتقل الى المدار الثاني، أي أن مستوى الطاقة سينخفض من -0.85 eV إلى -3.4 eV، وعليه فإن فرق الطاقة سيكون 2.55 eV وبقواعد فيزيائية بسيطة نجد أن طول الموجة المشعة هو 487.5 nm وهو اللون الأزرق.

نعطي مثالا آخر من ذرة الزئبق، فلو فرضنا أن الالكترون انتقل من المستوى g الى المستوى c أي أن الطاقة ستنخفض من -2.48 eV إلى -5.52 eV وعليه تكون طاقة الفوتون مساوية 3.07 eV أي أن طول الموجة هو 404.5 nm وبالتالي فإن الضوء المنبعث لديه لون بنفسجي.

وهكذا، فإن الاثارة المستمرة Successive excitation لذرات المادة بطرق مختارة ومدروسة بعناية تسمح بانبعاث أطوال موجية مختلفة تنتمي للطيف Emission of different wavelengths، وتراكم هذه الألوان مع بعضها يعطي لون المصابيح الأبيض، وعليه، لو أردنا معرفة الألوان التي يتضمنها لون أبيض استقبلناه من مصباح ما، يمكننا استعمال موشور زجاجي Prism أو مطيافاً Spectroscope لتفكيك هذا الضوء ورؤية الضيف وتحليل الألوان التي يحتويها.

ومن الضروري أن نعلم أن الذرات تتميز بمستويات الطاقة الخاصة بها، وبذلك تكون الأطوال الموجية المنبعثة منها أيضا فريدة وخاصة بهذه الذرة، وبذلك يمكن ربط الطيف الضوئي بذرة ما، كمثال بسيط عندما يتم ربط منتج تجاري بكود للمعلومات والسعر، فلا يمكن أن يتم وضع نفس الكود لمنتجين مختلفين، فآلة السعر عندما تقرأ الكود على منتج ما تعرف اسمه وسعره وكذلك الذرات، لكل ذرة طيف ضوئي خاص بها.

والآن بالعودة إلى بداية المقال قرأنا أن الأطياف المرئية تنقسم الى نوعين رئيسين هما الأطياف الانبعاثية Emission Spectrum والأطياف الامتصاصية Absorption Spectrum. فماذا عم طيف الامتصاص Absoption Spectrum؟

2- طيف الامتصاص Absorption Spectrum

إذا مرت الأشعة الضوئية خلال الغازات والأبخرة فإن هذه الغازات والأبخرة تمتص absorbs من الأشعة الضوئية الطاقة ذات الطول الموجي الذي يتناسب مع مدارات الطاقة الخاصة بها، ودائما بالاعتماد على المبدأ نفسه وهو أن طاقة الفوتون يجب أن تساوي الفارق بالطاقة بين مستويي ذرة الغاز. لذا نجد أن طيف الامتصاص هو طيف عكسي لطيف الانبعاث لنفس الغاز. وينتج عن ذلك طيف مستمر تتخلله خطوط معتمة سوداء تظهر في المواضع التي يتم عندها الامتصاص للأطوال الموجية الموجودة في الطيف المستمر.

هل عرفت الآن كيف يمكن لعلماء الفلك معرفة نوع الغازات حول كوكب بعيد يستحيل الوصول إليه؟