التحليل الطيفي

التحليل الطيفي، ودراسة امتصاص وانبعاث الضوء والإشعاع الآخر حسب المادة، فيما يتعلق باعتماد هذه العمليات على الطول الموجي للإشعاع. في الآونة الأخيرة، تمّ توسيع التعريف ليشمل دراسة التفاعلات بين الجسيمات مثل الإلكتروناتوالبروتونات والأيونات، بالإضافة إلى تفاعلها مع الجسيمات الأخرى كدالة لطاقة تصادمها.

كان التحليل الطيفي حاسمًا في تطوير معظم النظريات الأساسية في الفيزياء، بما في ذلك ميكانيكا الكم والنظريات الخاصة والعامة للنسبية والديناميكا الكهربية الكمية. كان التحليل الطيفي، كما هو مطبق على الاصطدامات عالية الطاقة، أداة رئيسية في تطوير الفهم العلمي ليس فقط للقوة الكهرومغناطيسية ولكن أيضًا للقوى النووية القوية والضعيفة.

تمّ تطبيق تقنيات التحليل الطيفي في جميع المجالات التقنية للعلوم والتكنولوجيا. تمّ استخدام التحليل الطيفي للترددات الراديوية للنواة في مجال مغناطيسي في تقنية طبية تسمى التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لتصور الأنسجة الرخوة الداخلية للجسم بدقة غير مسبوقة. تمّ استخدام التحليل الطيفي بالموجات الدقيقة لاكتشاف ما يسمى بإشعاع الجسم الأسود بثلاث درجات، وبقايا الانفجار العظيم (أي الانفجار البدائي) الذي يُعتقد أنّ الكون قد نشأ منه.

يتم الكشف عن البنية الداخلية للبروتون والنيوترون وحالة الكون المبكر حتى أول جزء من الألف من الثانية من وجوده بتقنيات التحليل الطيفي باستخدام مسرعات الجسيمات عالية الطاقة. يمكن تحديد مكونات النجوم البعيدة والجزيئات بين المجرات وحتى الوفرة البدائية للعناصر قبل تكوين النجوم الأولى بواسطة التحليل الطيفي الضوئي والراديوي والأشعة السينية. يستخدم التحليل الطيفي البصري بشكل روتيني لتحديد التركيب الكيميائي للمادة ولتحديد هيكلها المادي.

تقنيات التحليل الطيفي حساسة للغاية. يمكن اكتشاف ذرات مفردة وحتى نظائر مختلفة لنفس الذرة بين 1020 ذرة أو أكثر من نوع مختلف. (النظائر هي جميع ذرات عنصر لها كتلة غير متساوية ولكن العدد الذري نفسه. نظائر العنصر نفسه متطابقة كيميائيًا تقريبًا). غالبًا ما يتم اكتشاف كميات ضئيلة من الملوثات أو الملوثات بشكل أكثر فعالية من خلال تقنيات التحليل الطيفي. بعض أنواع التحليل الطيفي للميكروويف والبصرية وأشعة جاما قادرة على قياس تحولات التردد اللانهائية في خطوط طيفية ضيقة. يمكن ملاحظة تحولات التردد الصغيرة مثل جزء واحد في 1015 من التردد الذي يتم قياسه باستخدام تقنيات الليزر فائقة الدقة. بسبب هذه الحساسية، كانت القياسات الفيزيائية الأكثر دقة هي قياسات التردد.

يغطي التحليل الطيفي الآن جزءًا كبيرًا من الطيف الكهرومغناطيسي. ومع ذلك، لا تقتصر التقنيات الطيفية على الإشعاع الكهرومغناطيسي. نظرًا لأنّ الطاقة E للفوتون (كم من الضوء) مرتبطة بتردده ν بالعلاقة E = hν، حيث h هو ثابت بلانك، فإنّ التحليل الطيفي هو في الواقع قياس تفاعل الفوتونات مع المادة كدالة للفوتون طاقة. في الحالات التي لا يكون فيها جسيم المسبار فوتونًا، يشير التحليل الطيفي إلى قياس كيفية تفاعل الجسيم مع جسيم الاختبار أو المادة كدالة لطاقة جسيم المسبار.

مثال على التحليل الطيفي للجسيمات هو تقنية تحليل السطح المعروفة باسم التحليل الطيفي لفقدان طاقة الإلكترون (EELS) التي تقيس الطاقة المفقودة عندما تصطدم الإلكترونات منخفضة الطاقة (عادةً 5-10 إلكترون فولت) بسطح. من حين لآخر، يفقد الإلكترون المتصادم الطاقة عن طريق إثارة السطح؛ من خلال قياس فقد طاقة الإلكترون، يمكن قياس الإثارات الاهتزازية المرتبطة بالسطح. على الطرف الآخر من طيف الطاقة، إذا اصطدم إلكترون بجسيم آخر عند طاقات عالية للغاية، يتم إنتاج ثروة من الجسيمات دون الذرية. تمّ الحصول على معظم ما هو معروف في فيزياء الجسيمات (دراسة الجسيمات دون الذرية) من خلال تحليل إجمالي إنتاج الجسيمات أو إنتاج جسيمات معينة كدالة للطاقات العارضة للإلكترونات والبروتونات.

يتطلب إنتاج وتحليل الطيف عادةً ما يلي:

•  مصدر ضوء (أو إشعاع كهرومغناطيسي آخر).

• مشتت لفصل الضوء إلى أطوال موجات مكونة.

• كاشف لاستشعار وجود الضوء بعد التشتت.

يُطلق على الجهاز المستخدم لقبول الضوء وفصله إلى أطوال موجية مكونة واكتشاف الطيف، مقياس الطيف. يمكن الحصول على الأطياف إمّا في شكل أطياف الانبعاث، والتي تُظهر خطًا ساطعًا أو أكثر أو نطاقات على خلفية داكنة، أو أطياف الامتصاص، والتي لها خلفية ساطعة باستمرار باستثناء خط واحد أو أكثر من الخطوط المظلمة.

يقيس التحليل الطيفي للامتصاص فقدان الطاقة الكهرومغناطيسية بعد أن تضيء العينة قيد الدراسة. على سبيل المثال: إذا تمّ توجيه مصدر ضوء ذي نطاق عريض من الأطوال الموجية إلى بخار من الذرات أو الأيونات أو الجزيئات، فإنّ الجسيمات ستمتص تلك الأطوال الموجية التي يمكن أن تثيرها من حالة كمومية إلى أخرى. نتيجةً لذلك، ستكون الأطوال الموجية الممتصة مفقودة من طيف الضوء الأصلي بعد مرورها عبر العينة.

نظرًا لأنّ معظم الذرات والعديد من الجزيئات لها مستويات طاقة فريدة ومميزة، فإنّ قياس خطوط الامتصاص المفقودة يسمح بتحديد الأنواع الممتصة. يمكن أيضًا الامتصاص ضمن نطاق مستمر من الأطوال الموجية. هذا شائع بشكل خاص عندما تكون هناك كثافة عالية لخطوط الامتصاص التي تمّ توسيعها بسبب الاضطرابات القوية من خلال الذرات المحيطة (على سبيل المثال: الاصطدامات في غاز عالي الضغط أو تأثيرات الجيران القريبين في مادة صلبة أو سائلة).

في بيئة المختبر، تعمل الغرف الشفافة أو الحاويات ذات النوافذ في كلا الطرفين كخلايا امتصاص لإنتاج أطياف الامتصاص. يمر الضوء مع التوزيع المستمر للطول الموجي عبر الخلية. عندما يتم إدخال غاز أو بخار، فإنّ التغيير في الطيف المرسل يعطي طيف امتصاص الغاز. في كثير من الأحيان، يتم وضع خلايا الامتصاص في أفران لأنّ العديد من المواد ذات الأهمية الطيفية تتبخر بشكل كبير فقط في درجات حرارة عالية. في حالات أخرى، لا يلزم احتواء العينة المراد دراستها على الإطلاق. على سبيل المثال: يمكن اكتشاف الجزيئات البينجمية من خلال دراسة امتصاص الإشعاع من نجم في الخلفية.

تحدد خصائص انتقال الغلاف الجوي للأرض أجزاء الطيف الكهرومغناطيسي للشمس والمصادر الفلكية الأخرى للإشعاع القادرة على اختراق الغلاف الجوي. إنّ امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية بواسطة الغلاف الجوي العلوي يمنع هذا الجزء الضار من الطيف الكهرومغناطيسي من تشعيع سكان الأرض. حقيقة أنّ بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى تعكس الأشعة تحت الحمراء مهمة في تحديد مقدار الحرارة من الأرض التي تشع في الفضاء. تُعرف هذه الظاهرة باسم تأثير الدفيئة لأنّها تعمل بنفس طريقة عمل الألواح الزجاجية لبيت زجاجي؛ وهذا يعني أنّ الطاقة في شكل ضوء مرئي يُسمح لها بالمرور عبر الزجاج.