ما هو طيف الانبعاث – Emission spectrum؟
عندما يتم تسخين المواد الصلبة أو السوائل أو الغازات المكثفة بدرجة كافية، فإنّها تشع بعض الطاقة الزائدة على شكل ضوء. تمتلك الفوتونات المنتجة بهذه الطريقة مجموعة من الطاقات، وبالتالي تنتج طيفاً مستمراً توجد فيه سلسلة غير منقطعة من الأطوال الموجية.
على عكس الأطياف المستمرة، يمكن أن يحدث الضوء أيضاً كأطياف منفصلة أو خطية لها خطوط ضيقة جداً تتخللها في جميع أنحاء المناطق الطيفية. إنّ إثارة غاز عند ضغط جزئي منخفض باستخدام تيار كهربائي، أو تسخينه، سينتج أطياف الخط. تعمل المصابيح الفلورية وعلامات النيون بهذه الطريقة، يعرض كل عنصر مجموعة الخطوط المميزة الخاصة به، كما تفعل الجزيئات، على الرغم من أنّ أطيافها بشكل عام أكثر تعقيداً.
شرح طيف الانبعاث:
يتكون كل خط انبعاث من طول موجي واحد للضوء، مما يعني أنّ الضوء المنبعث من الغاز يتكون من مجموعة من الطاقات المنفصلة. على سبيل المثال، عندما يمر تفريغ كهربائي عبر أنبوب يحتوي على غاز الهيدروجين عند ضغط منخفض، يتم تقسيم جزيئات (H2) إلى ذرات (H) منفصلة ويلاحظ لون أزرق – وردي. يؤدي تمرير الضوء عبر منشور إلى إنتاج طيف خطي، مما يشير إلى أنّ هذا الضوء يتكون من فوتونات ذات أربعة أطوال موجية مرئية.
كان أصل الأطياف المنفصلة في الذرات والجزيئات محيّراً للغاية للعلماء في أواخر القرن التاسع عشر. وفقاً للنظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية، يجب ملاحظة الأطياف المستمرة فقط. تمّ العثور على خطوط منفصلة أخرى لذرة الهيدروجين في مناطق الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. عمم “يوهانس ريدبيرج” عمل (Balmer) وطور صيغة تجريبية تنبأت بجميع خطوط انبعاث الهيدروجين، وليس فقط تلك المحصورة في النطاق المرئي، حيث (n1) و(n2) أعداد صحيحة، (n1 < n2).
حتى في أواخر القرن التاسع عشر، كان التحليل الطيفي علماً دقيقاً للغاية، وبالتالي تم قياس الأطوال الموجية للهيدروجين بدقة عالية جداً، مما يعني أنّه يمكن تحديد ثابت “ريدبيرج” بدقة شديدة أيضاً. بدت أنّ مثل هذه الصيغة البسيطة مثل صيغة (Rydberg) يمكن أنّ تفسر مثل هذه القياسات الدقيقة أمراً مذهلاً في ذلك الوقت، ولكن كان التفسير النهائي لأطياف الانبعاث من قبل “نيلز بور” في عام (1913م) هو الذي أقنع العلماء في النهاية بالتخلي عن الفيزياء الكلاسيكية وحفز تطوير علم ميكانيكا الكم الحديث.
معادلة طيف الانبعاث:
إذا كان الإلكترون في حالة من الإثارة فيمكنه العودة إلى مستوى طاقة أقل. عندما يفعل هذا، فإنّه يفقد الطاقة. كمية الطاقة التي يفقدها ستكون مساوية للفرق في مستويات الطاقة التي تتحرك فيما بينها. يتم تحرير هذه الطاقة كفوتون. يمكن حساب طاقة الفوتون باستخدام المعادلة:
إذا تحرك الإلكترون من المستوى (E2) إلى (E1)، يمكن حساب طاقة الفوتون باستخدام ما يلي:
E = hf = E2 – E1
لهذه العلاقة:
E – هي طاقة الفوتون.
h – هي ثابت بلانك.
f – هي تردد الضوء الناتج.
نظراً لأنّ مستويات الطاقة لها قيم مختلفة، فإنّ كل من انتقالات الإلكترون المحتملة داخل الذرة ستنتج فوتوناً بطاقة مختلفة. هذا يعني أنّ كل انتقال للإلكترون سينتج فوتوناً بتردد مختلف وبالتالي لون مختلف. يؤدي هذا إلى إنتاج خطوط أطياف انبعاث، هذا ليس طيفاً مستمراً حيث يتم إنتاج ضوء بترددات محددة وألوان محددة فقط.
الأنواع المختلفة من الذرات لها مستويات طاقة مختلفة. ونتيجة لذلك، ينتج كل منها فوتونات ذات طاقة مختلفة، وبالتالي فإنّ أطياف الخط للعناصر المختلفة ستكون مختلفة. هذا يعني أنه يمكن استخدام أطياف الخط لتحديد العناصر، أما بالنسبة للأطياف المستمرة يتم إنتاجها بواسطة الإلكترونات التي يتم مشاركتها بين العديد من الذرات، مما يعطي نطاقاً كبيراً من الترددات الممكنة.
