الإشعاع الكهرومغناطيسي والفوتونات

تأتي الكثير من المعلومات التي تحصل عليها عن الكون من الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو الضوء، الذي تتلقاه من أماكن بعيدة في الكون، من خلال تحليل هذا الضوء يمكنك تحديد تكوين السدم، على سبيل المثال، تأتي المعلومات التي يتم الحصول عليها من هذا الإشعاع الكهرومغناطيسي في شكل أطياف أو أنماط ضوئية.

تتشكل هذه الأنماط بسبب ميكانيكا الكم، والتي تملي أنّ الإلكترونات التي تدور حول الذرات يمكن أن يكون لها طاقات محددة فقط، يمكن فهم هذا المفهوم باستخدام “نموذج بور” للذرة، والذي يصور الذرة على أنّها إلكترونات تدور حول نواة مركزية عند مستويات طاقة محددة جدًا.

شرح الإشعاع الكهرومغناطيسي والفوتونات

في الذرات، يمكن أن يكون للإلكترونات قيم طاقة منفصلة فقط، وتكون مجموعة معينة من قيم الطاقة الممكنة فريدة لكل عنصر ذري، يمكن أن تتحرك الإلكترونات لأعلى ولأسفل في مستوى الطاقة عن طريق امتصاص أو إصدار فوتون ذي طول موجي محدد للغاية “يتوافق مع كمية معينة من الطاقة تساوي فرق الطاقة بين المستويات”.

نتيجةً لذلك، يمكن تحديد العناصر بخطوط طيفية متميزة، حيث تحدث الخطوط عند الأطوال الموجية المقابلة لاختلافات الطاقة بين مستويات الطاقة الذرية للعنصر، يعتبر نمط الخطوط الطيفية فريدًا لكل عنصر، ممّا يعني أنّ الأطياف هي طريقة فعّالة لتحديد العناصر، خاصة من مسافة بعيدة أو بكميات صغيرة جدًا.

كيف يتم الحصول على طيف الانبعاث وطيف الامتصاص

يتم الحصول على أطياف الامتصاص عن طريق تسليط العنصر بضوء بأطوال موجية عديدة واكتشاف الأطوال الموجية الممتصة، يتم الحصول على أطياف الانبعاث عن طريق تسخين العنصر لإجبار الإلكترونات على الدخول في حالات مثارة، ثمّ الكشف عن الأطوال الموجية للضوء المنبعثة عندما تتراجع الإلكترونات إلى حالات طاقة أقل، غالبًا ما تكون هذه الأطياف معكوسة لبعضها البعض.

التحليل الطيفي هو الطريقة التي يحدد بها علماء الفلك العناصر في الأجسام الفلكية، مثل السدم والنجوم والكواكب والأغلفة الجوية للكواكب، يمكن للأطياف أيضًا أن تخبر علماء الفلك عن مدى سرعة تحرك جسم فلكي بعيدًا أو باتجاه الأرض، ومدى إزاحة طيف عنصر معين باللون الأحمر أو الأزرق، هذا التحول في الطيف يرجع إلى “تأثير دوبلر” (Doppler effect).

كيف يتم العثور على الطول الموجي وتردد الفوتون المنبعث أو الممتص؟

للعثور على الطول الموجي أو تردد الفوتون المنبعث أو الممتص من خلال انتقال مستوى طاقة الإلكترون، احسب أولاً الفرق في الطاقة بين مستويي الطاقة:

ΔE = −13.6 (1/(n_f)²​​− 1/(n_i​)²)

يمكن بعد ذلك استخدام فرق الطاقة هذا في معادلة طاقة الفوتون:

ΔE = hf = hc/λ

حيث: (h) هو ثابت بلانك، و (f) هو التردد، و (λ) هو الطول الموجي للفوتون المنبعث أو الممتص، و(c) هي سرعة الضوء.

ما المقصود بطيف الامتصاص – Absorption Spectra؟

عندما يقع طيف مستمر على غاز بارد “منخفض الطاقة”، فإنّ الذرات الموجودة في هذا الغاز سوف تمتص أطوال موجية معينة من الضوء المميز لتكوينها، من خلال أخذ الضوء الذي يخرج من الغاز واستخدام مطياف لفصله إلى طيف من الأطوال الموجية، ستظهر خطوط امتصاص داكنة، وهي عبارة عن خطوط لم يتم فيها اكتشاف ضوء ذلك الطول الموجي، هذا يخلق “طيف امتصاص”، إنّ وضع هذه الخطوط بدقة هو سمة من سمات التركيب الذري والجزيئي للغاز، يمكن للعلماء قراءة الأسطر مثل رمز شريطي يخبرهم بما يتكون الغاز.

ما المقصود بطيف الانبعاث – Emission Spectra؟

في المقابل، يتكون الغاز الساخن من ذرات وجزيئات في حالة مثارة، سوف تقفز الإلكترونات الموجودة في ذرات هذا الغاز إلى حالات طاقة منخفضة بينما يشع الغاز طاقته الزائدة، عند القيام بذلك، يتم إطلاق أطوال موجية محددة جدًا من الضوء، من خلال أخذ هذا الضوء واستخدام التحليل الطيفي لفصله إلى طيف من الأطوال الموجية، ستظهر خطوط الانبعاث الساطعة فقط عند الأطوال الموجية المحددة المقابلة للفوتونات المنبعثة عندما قفزت الإلكترونات إلى حالات طاقة أقل، هذا يخلق طيف انبعاث.

تمامًا كما هو الحال مع أطياف الامتصاص، فإنّ الوضع الدقيق لتلك الخطوط هو سمة من سمات التركيب الذري والجزيئي للغاز، يمكن للعلماء قراءة الأسطر مثل رمز شريطي يخبرهم بما يتكون الغاز، كما أنّ الأطوال الموجية المميزة هي نفسها لكلا النوعين من الأطياف، ستقع الخطوط المظلمة في طيف الامتصاص في نفس أماكن خطوط الانبعاث في طيف الانبعاث.

قوانين كيرشوف للتحليل الطيفي:

في عام (1859)، لخص “غوستاف كيرشوف” الأطياف في ثلاث قواعد موجزة كما يلي:

• قانون كيرشوف الأول (Kirchoff’s First Law): ينتج غاز مضيء أو سائل أو غاز عالي الكثافة طيفًا مستمرًا، هذا يعني أنّه ينبعث الضوء من جميع الأطوال الموجية، مثال مثالي على ذلك يسمّى “الجسم الأسود” (blackbody).

• قانون كيرشوف الثاني (Kirchoff’s Second Law): ينتج غاز ساخن منخفض الكثافة طيف خط انبعاث.

• قانون كيرشوف الثالث (​Kirchoff’s Third Law): مصدر طيف مستمر يُنظر إليه من خلال غاز بارد منخفض الكثافة ينتج طيف خط الامتصاص.

إشعاع الجسم الأسود – Blackbody Radiation:

إذا كانت درجة حرارة الجسم أعلى من الصفر المطلق، فإنّه يصدر إشعاعًا، الجسم الأسود هو الشيء المثالي النظري الذي يمتص جميع الأطوال الموجية للضوء ويصدر جميع الأطوال الموجية للضوء، ستصدر أطوال موجية مختلفة من الضوء بكثافة مختلفة، ويطلق على توزيع الشدة اسم طيف الجسم الأسود، هذا الطيف يعتمد فقط على درجة حرارة الجسم الأسود.

الفوتونات ذات الأطوال الموجية المختلفة لها طاقات مختلفة، لكي يكون طيف الجسم الأسود له انبعاث عالي الكثافة بطول موجي معين، فهذا يعني أنّه يبعث فوتونات من تلك الطاقة المعينة بمعدل مرتفع، هذا المعدل يسمّى أيضًا “التدفق”، سيزداد تدفق جميع الأطوال الموجية مع زيادة درجة حرارة الجسم الأسود.

غالبًا ما يكون من الملائم لعلماء الفلك أن يصمموا النجوم كأجسام سوداء، على الرغم من أنّ هذا ليس دقيقًا دائمًا، إلا أنّه غالبًا ما يوفر تقديرًا جيدًا لدرجة حرارة النجم من خلال ملاحظة الطول الموجي الذي يبلغ ذروته طيف الجسم الأسود للنجم “الطول الموجي للضوء المنبعث بأعلى كثافة”.

تتناقص ذروة طيف الجسم الأسود في الطول الموجي مع زيادة درجة حرارة الجسم الأسود، يُعرف هذا بقانون “إزاحة وين” (Wien’s Displacement Law)، علاقة أخرى مهمة للأجسام السوداء هي قانون “ستيفان بولتزمان”، الذي ينص على أنّ إجمالي الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود يتناسب مع درجة حرارته المطلقة المأخوذة إلى القوة الرابعة: (E ∝ T⁴).

سلسلة انبعاث وامتصاص الهيدروجين:

غالبًا ما يتم تقسيم الخطوط في طيف الهيدروجين إلى “سلسلة” بناءً على مستوى الطاقة الأدنى في انتقالها، سلسلة ليمان هي سلسلة من التحولات من أو إلى أدنى حالة طاقة، أو حالة أرضية (ground state)، تميل الفوتونات المقابلة لهذه التحولات إلى أن يكون لها أطوال موجية في الجزء فوق البنفسجي من الطيف، سلسلة (Balmer) هي سلسلة من التحولات من أو إلى الحالة المثارة الأولى، مستوى واحد فوق حالة الأرض.

ومع ذلك، فإنّه لا يحسب الانتقال بين الحالة الأرضية والحالة المثارة الأولى، لأنّ هذا الانتقال جزء من “سلسلة ليمان” (Lyman series)، تميل الفوتونات المقابلة لهذه التحولات إلى أن يكون لها أطوال موجية في الجزء المرئي من الطيف، تسمّى التحولات من أو إلى الحالة المثارة الثانية سلسلة (Paschen)، وتسمّى التحولات من الحالة المثارة الثالثة أو منها سلسلة (Brackett)، هذه السلسلة مهمة جدًا للبحث الفلكي، حيث أنّ الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعًا في الكون، إنّه أيضًا العنصر الأساسي الذي تتكون منه النجوم.

العلاقة بين طيف الانبعاث والامتصاص

• ترتبط خطوط طيف الانبعاث بخطوط طيف الامتصاص لنفس العنصر أو الجزيء.

• يمكن استخدام طيف الانبعاث لتحديد طاقة مستويات الطاقة في الذرة أو الجزيء.

• يمكن استخدام طيف الامتصاص لتحديد تركيز المواد في العينة.

تطبيقات طيف الانبعاث والامتصاص

• التحليل الكيميائي: يستخدم طيف الانبعاث والامتصاص لتحديد عناصر وتكوين المواد.

• الطب: يستخدم طيف الامتصاص لتحديد تركيز المواد في الدم أو البول.

• علم الفلك: يستخدم طيف الانبعاث والامتصاص لدراسة تركيب النجوم والكواكب.