الطيف المستمر - Continuous Spectrum

إذا رأيت قوس قزح فربّما تكون قد رأيت طيفاً مستمراً أو شيئاً قريباً منه والضوء شكل من أشكال الطاقة، مثل الحرارة كما يمكن للمادة أن تمتص الطاقة وتنبعث منها الطاقة ولكي تبعث المادة الطاقة يجب أن تمتص بعضها أولاً وعندما تمتص المادة الضوء المرئي فإنّ الألوان التي لا يتم امتصاصها هي التي نراها، وعندما تشع المادة ضوءاً يكون لون الضوء المنبعث هو الذي نراه.

ما هو الطيف المستمر؟

الطيف المستمر: هو طيف بدءاً من الضوء المنبعث من خيوط مصباح أبيض ساخن ولا توجد به فواصل أو فجوات ظاهرة في جميع أنحاء نطاق الطول الموجي.

عندما تسلط الضوء الأبيض من خلال منشور فإنّه يكشف أنّه يحتوي على قوس قزح من الألوان وهذا ما يسمى بالتشتت ويحدث بسبب اختلاف الأطوال الموجية أو الألوان أو الانكسار أو الانحناءات وذلك بمقادير مختلفة داخل المنشور، كما يمكن وصف قوس قزح بأنّه طيف وإذا امتد الطيف على طول الطريق من الأحمر إلى البنفسجي وبدون فجوات فهو يُعد طيفاً مستمر.

يحتوي شعاع من الضوء الأبيض المثالي كما لو كنت تحصل عليه في ظروف معملية معينة على هذا النوع من الطيف كما يمكنك إنشاء طيف مستمر عن طريق تسخين مادة حتى تتوهج ولكن كما سنكتشف فإنّ معظم الضوء حتى ضوء الشمس لا يحتوي على طيف مستمر.

الطيف المستمر من هذه الأنواع من الأجسام يسمى أيضاً الطيف الحراري؛ لأنّ الأجسام الساخنة والكثيفة تنبعث منها إشعاعات كهرومغناطيسية في جميع الأطوال الموجية أو الألوان وأي غاز صلب أو سائل أو كثيف أو سميك عند درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق سوف ينتج طيفاً حرارياً، ويُعد الطيف الحراري هو أبسط أنواع الطيف لأنّ شكله يعتمد على درجة الحرارة فقط.

يعتبر الطيف المنفصل أكثر تعقيداً لأنّه يعتمد على درجة الحرارة وأشياء أخرى مثل التركيب الكيميائي للجسم وكثافة الغاز وجاذبية السطح والسرعة كما يمكن للأجسام الغريبة؛ مثل: النجوم النيوترونية والثقوب السوداء من إنتاج نوع آخر من الطيف المستمر يسمى طيف السنكروترون من الجسيمات المشحونة التي تدور حول الحقول المغناطيسية.

يستخدم علماء الفلك أحياناً مصطلح طيف الجسم الأسود للطيف الحراري، والجسم الأسود هو جسم يمتص كل الضوء الساقط عليه ولا يعكس أياً منه ومن ثم يبدو أسوداً، وعندما يتم تسخين الجسم الأسود فإنّه يصدر الضوء بكفاءة عالية دون أي فجوات أو فواصل في السطوع وعلى الرغم من أنّه لا يوجد جسم مثالي، إلّا أنّ معظم النجوم والكواكب والأقمار والكويكبات قريبة بما يكفي لتكون أجساماً سوداء، ممّا يجعلها تنتج أطيافاً مشابهة جداً للطيف الحراري المثالي.

السمات الرئيسية للطيف الحراري المستمر:

1. هناك ضوء من جسم كثيف ممكن على الإطلاق فإذا كانت درجة حرارة الكائن أعلى من 0 كلفن أي الصفر المطلق، ونظراً لأنّ كل شيء في الكون أعلى من 0 كلفن فإنّ جميع الأجسام الكثيفة (المواد الصلبة والسوائل والغازات السميكة) ستنتج طيفاً حرارياً.
   
2. يعتمد شكل الطيف المستمر على درجة حرارة الجسم فقط وليس تركيبه الكيميائي ممّا يتيح لك ذلك تحديد درجة حرارة جسم ما من مسافة بعيدة.
   
3. مع زيادة درجة حرارة الجسم، يتم إنتاج المزيد من الضوء على جميع الأطوال الموجية أكثر ممّا كان عليه عندما كان أكثر برودة، ويمكنك رؤية هذا التأثير باستخدام مصباح كهربائي موصّل بمفتاح تعتيم ففي أثناء رفع التيار المتجه إلى المصباح فإنّه يصبح فتيل المصباح أكثر سخونة وإشراقاً.
   
4. مع زيادة درجة حرارة الجسم، تتحول ذروة منحنى الطيف الحراري إلى أطوال موجية أصغر (ترددات أعلى) وتظهر الأشياء الباردة باللون الأحمر أو البرتقالي والأشياء الأكثر سخونة تظهر باللون الأصفر أو الأبيض والأشياء الساخنة جداً باللون الأزرق أو الأرجواني، هذا عكس ما يستخدمه الفنانون للألوان الرائعة (البلوز) أو الألوان الساخنة (الأحمر) كما يمكنك أيضاً رؤية هذا التأثير مع لمبة الإضاءة السلكية إلى مفتاح باهتة، سيكون للمصباح الخافت لون برتقالي وكلما جعلته أكثر إشراقاً سيتحول لون المصباح إلى اللون الأصفر وحتى الأبيض.
   واكتشف (Wilhelm Wien) أنّ ذروة منحنى الطيف الحراري لأي ذرة بالنانومتر وهي مرتبطة بدرجة الحرارة من خلال الذروة = 2.9 × ²10 درجة الحرارة (في K) حيث تُعرف هذه العلاقة البسيطة الآن باسم قانون فيينا وعند استخدام هذا ستجد أنّ الأشياء الرائعة مثل السيارات والنباتات والأشخاص تشع معظم طاقتها في الأشعة تحت الحمراء كما تشع الأجسام شديدة البرودة في الغالب في نطاق الراديو.
   
5. ينتج عن تغيير طفيف في درجة الحرارة تغيير هائل في كمية الطاقة المنبعثة من كل وحدة مساحة من الجسم فإذا جمعت كل الطاقة المنبعثة كل ثانية بمساحة متر مربع واحد على سطح الجسم، فستجد أنّها تساوي سيجما × درجة الحرارة الرابعة حيث سيجما هو ثابت عالمي آخر للطبيعة ويساوي (5.67 × 10 ^-8)، وهذه العلاقة تسمى قانون ستيفان بولتزمان ونظراً لارتفاع درجة الحرارة إلى القوة الرابعة فإن ارتفاعاً طفيفاً في درجة حرارة الجسم سيؤدي إلى زيادة هائلة في كمية الطاقة المنبعثة منه.
   
6. تغيير درجة الحرارة الصغيرة يجعل تغيير السطوع كبير فعندما تضيف كل الطاقة لكل متر مربع على سطح الكائن تحصل على اللمعان وإجمالي كمية الطاقة المنبعثة كل ثانية من الجسم، واللمعان يساوي مساحة السطح الإجمالية مضروب في سيجما و درجة الحرارة الرابعة، فإذا كانت شمسنا حارة بمقدار الضعف كما هي الآن فستنتج (4² = 16) مرة طاقة أكثر ممّا تنتج الآن.
   

كيف يتم إنشاء الأطياف المستمرة؟

من أجل إنشاء طيف مستمر فيجب أن ينكسر الضوء ويحدث الانكسار عندما يمر الضوء عبر وسط ويظهر بزاوية مختلفة، وبذلك تعتمد الزاوية التي ينكسر فيها الضوء على المادة التي يمر بها والطول الموجي للضوء ويُعد هذا هو السبب في أنّ المنشور يغير ضوء الشمس إلى قوس قزح والأطوال الموجية المختلفة للضوء تخرج من المنشور بزوايا مختلفة قليلاً أمّا التأثير الكلي للانكسار يسمى التشتت.

أنواع الطيف:

1. الطيف المستمر (Continuous Spectrum).
   
2. الطيف الخطي (Line Spectrum).
   

يتم إنتاج طيف مستمر عند وجود كل ألوان قوس قزح من الأحمر إلى البنفسجي، وبشكل أساسي ينكسر الضوء عندما يمر عبر منشور وهذا هو السبب في أنّنا يمكن أن نرى قوس قزح بعد هطول الأمطار كما يُعتقد أنّ الضوء الأبيض يحتوي على جميع ألوان قوس قزح السبعة التي يتم امتصاصها بأطوال موجية مختلفة عند انكسارها في منشور، فإذا كانت جميع الألوان السبعة موجودة مع عدم وجود فجوات بينها فإنّها تشكل طيفاً مستمراً، ومن ناحية أخرى يحتوي طيف الخط على عدد قليل من الخطوط (أطوال موجية).

يُمكن للذرات أن تمتص بعض الأطوال الموجية عندما تتعرض للإشعاع الكهرومغناطيسي وتقدم خطوط امتصاص معينة كما يمكن للذرات أيضاً إصدار بعض الأطوال الموجية عندما يكونو نشطين وهذه هي الطاقة المفقودة للذرات لتستقر في حالتها الطبيعية، لذلك يمكن العثور على طيف الخط في كل من أطياف الامتصاص والانبعاث التي تتعارض تماماً مع بعضها البعض وعندما يتم الجمع بين طيف الامتصاص وطيف الانبعاث تحصل على طيف مستمر بجميع الأطوال الموجية.

إنّ الضوء الأبيض؛ مثل الضوء المنبعث من بعض النجوم والأقمار هو مثال ممتاز على الطيف المستمر ويُعتقد أنّ ضوء الشمس ينتج طيفاً مستمراً حيث يمكننا رؤية قوس قزح، ومع ذلك فإنّ ضوء الشمس يحتوي على مجموعة من العناصر الأخرى مثل الهيليوم والهيدروجين كما هو واضح في فجوات الامتصاص التي تظهر بين ألوان قوس قزح بعد الملاحظة الحرجة من خلال مقياس الطيف.

الفرق بين الطيف المستمر والطيف الخطي:

1. ثغرات الطيف:

• الطيف المستمر: لا تحتوي الأطياف المستمرة على فجوات يمكن ملاحظتها.
  
• طيف الخط: هناك فجوات كبيرة بين الخطوط.
  

2. الطول الموجي للأطياف:

• الطيف المستمر: يحتوي الطيف المستمر على جميع الأطوال الموجية لمدى معين.
  
• طيف الخط: يحتوي الطيف الخطي على عدد قليل من الأطوال الموجية.
  

ما هو طيف الانبعاث؟

طيف الانبعاث (Emission spectrum): هو طيف ينتج عندما ينتقل إلكترون في حالة مثارة إلى مستوى طاقة أقل، فإنّه يصدر كمية معينة من الطاقة على شكل فوتونات كما يتكون الطيف الخاص بهذا الانتقال من خطوط لأنّ مستويات الطاقة محددة.

كيف تصنع طيف انبعاث؟

يتم إنتاج أطياف الانبعاث بواسطة غازات رقيقة لا تتعرض فيها الذرات للعديد من الاصطدامات بسبب الكثافة المنخفضة، وتتوافق خطوط الانبعاث مع فوتونات الطاقات المنفصلة التي تنبعث عندما تقوم الحالات الذرية المثارة في الغاز بإجراء انتقالات عائدة إلى المستويات الأدنى.

ما سبب أهمية طيف الانبعاث؟

أطياف الانبعاث مهمة للعلماء لسببين؛ هما: إنّ طيف انبعاث لعنصر ما هو سمة للعنصر وكذلك يمكن للعلماء في كثير من الأحيان استخدام أطياف الانبعاث لتحديد العناصر الموجودة أو الغائبة في عينة غير معروفة.