خطوط فراونهوفر الكمية

خطوط فراونهوفر هي عبارة عن خطوط الامتصاص المظلمة في طيف النجوم (مثل الشمس)، والتي تنتج عن الامتصاص الانتقائي لإشعاع النجم بأطوال موجية محددة بواسطة عناصر غاز مختلفة موجودة في الغلاف الجوي.

ما هي خطوط فراونهوفر الكمية

يمتد الطيف الإشعاعي للشمس على مدى طول موجي من حوالي 300 نانومتر (فوق بنفسجي) إلى 3000 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء)، ويقع الجزء المرئي (الضوء) بين 400 نانومتر و 750 نانومتر، حيث يتكون في أحد “الأصداف” الخارجية الفوتوسفير، وإذا تم امتصاص أطوال موجية فردية معينة بواسطة الذرات الموجودة في الغلاف الضوئي، تتشكل الخطوط السوداء في هذه المواضع في الطيف، والتي توفر معلومات عملية بشأن بصمة لهذه الذرات، وهنا تكمن أهمية عمل فراونهوفر.

بعد حوالي 100 عام من اكتشاف فراونهوفر، شرح نيلز بور أطياف ذرة H بافتراضاته في عام 1913، وبذلك أنشأ الأساس لفهم بنية الذرات، وبالتالي أيضًا التفسير الشامل لتشكيل الذرات خطوط فراونهوفر.

كيف تحدث خطوط فراونهوفر

 إذا كان الضوء الأبيض الذي يحتوي على جميع الألوان يمر عبر غاز، فعند ظهوره تكون بعض الألوان مفقودة، وهذا لأن الذرات في الغاز تمتص الضوء بأطوال موجية محددة جدًا، وهي في الواقع نفس الأطوال الموجية التي ستصدرها نفس الذرات إذا كانت متحمسة؛ إن هذه الصورة هي طيف مستمر عليه خطوط سوداء.

فإذا مرر ضوء الشمس عبر منشور، سوف يظهر الطيف المرئي الذي نتوقعه ولكن أيضًا العديد من الخطوط السوداء، ويُطلق عليه طيف فراونهوفر نسبة إلى أول من درسه، وهذا بالطبع طيف امتصاص، حيث تعود الخطوط السوداء، التي يزيد عددها عن 600 منها إلى امتصاص أطوال موجية معينة من الضوء بواسطة عناصر كيميائية في الطبقات الخارجية للشمس.

هذا يعني أنه إذا تم قياس الطول الموجي لهذه الخطوط السوداء، فيمكن تحديد العناصر الموجودة بالفعل في الشمس، إذ تخبر شدتها النسبية أيضًا عن مقدار هذه العناصر الموجودة، وبالتالي يمكننا تكوين صورة جيدة جدًا لما تتكون منه الشمس.

خطوط فراونهوفر للشمس

عندما يمر الضوء من اللب المركزي (الفوتوسفير) للشمس عبر الغلاف الجوي للشمس، يتم امتصاص أطوال موجية معينة بواسطة العناصر الموجودة في الكروموسفير (أي الطبقة الخارجية للشمس)، سيؤدي ذلك إلى تكوين الظلام، وتعرف هذه الخطوط المظلمة الموجودة في الطيف الشمسي بخطوط فراونهوفر للشمس أو خطوط فراونهوفر فقط.

اخترع الفيزيائي الألماني جوزيف فون فراونهوفر (1787-1826) جهازًا يسمى مطيافًا يحتوي على محزوز حيود؛ عندما استخدم فراونهوفر هذا الجهاز لتحليل الضوء المنبعث من الشمس، لاحظ خطوطًا داكنة على طيف مستمر تُعرف باسم خطوط فراونهوفر.

بمقارنة أطياف الامتصاص لعناصر مختلفة بخطوط فراونهوفر في الطيف الشمسي، تم تحديد العناصر المختلفة الموجودة في الغلاف الجوي للشمس، ويمكن العثور على العديد من خصائص الشمس بمساعدة الطيف الشمسي وخاصة لدراسة العناصر الموجودة في الشمس، حيث وجد أن خطوط فراونهوفر مهم.

طيف فراونهوفر

قام الفيزيائي الألماني جوزيف فون فراونهوفر بدراسة وقياس الخطوط المظلمة الموجودة في الطيف الشمسي، فبعد 45 عامًا لوحظ أن الخطوط تتوافق مع خطوط الانبعاث في أطياف العناصر الساخنة، إذ يتيح الاكتشاف تحديد تكوين الشمس والعناصر الموجودة في الشمس.

لوحظت خطوط فراونهوفر لأول مرة في عام 1802 من قبل الفيزيائي الإنجليزي ويليام هايد ولاستون، ولكن تم تسميتها على اسم الفيزيائي الألماني جوزيف فون فراونهوفر، الذي رسم في عام 1814 أكثر من 500 خط فراونهوفر وحدد ألمع الخطوط بالحروف، ولا يزال نظام التعريف هذا قيد الاستخدام.

مثلا، الخط D في طيف (Fraunhofer) ناتج عن الصوديوم، وخطوط H و K ناتجة عن الكالسيوم، ومن المعروف أن بعض خطوط امتصاص فراونهوفر تنشأ بسبب الامتصاص في الغلاف الجوي للأرض.

كما أن خطوط فراونهوفر هي خطوط امتصاص، لكن كيف يتم إنتاج هذه الخطوط وماذا تظهر؛ تنتج الشمس والنجوم الأخرى كل الأطوال الموجية للضوء، فأثناء مرور هذا الضوء عبر الغلاف الجوي الخارجي الأكثر برودة، تمتص ذرات الغاز أطوال موجية معينة من الضوء، مما ينتج عنه طيف امتصاص خطي نراه من الأرض، وتمكن العلماء من فحص ومقارنة هذه الخطوط المظلمة مع أطياف الانبعاث الخطية للعناصر المعروفة وتحديد العناصر الموجودة في الغلاف الجوي الأكثر برودة.

حيود فراونهوفر

في البصريات،تُستخدم معادلة حيود فراونهوفر لنمذجة  حيود الموجات، فعندما تسقط الموجات المستوية على كائن حيود، ويُنظر إلى نمط الانعراج على مسافة طويلة بما فيه الكفاية (مسافة ترضي حالة فراونهوفر ) من الجسم (في البعيد -field area)، وأيضًا عند عرضها على المستوى البؤري لعدسة التصوير، وعلى النقيض من ذلك، فإن نمط الانعراج الذي تم إنشاؤه بالقرب من كائن الانعراج (في منطقة المجال القريب) يُعطى بواسطة معادلة حيود فرينل.

أهمية خطوط امتصاص فراونهوفر

خطوط امتصاص فراونهوفر هي بالفعل نعمة وشريان حياة لعلماء الفيزياء الشمسية، حيث توفر الرؤية العميقة لخطوط الامتصاص معلومات تتعلق بدرجة الحرارة، بينما توفر تحولات الطول الموجي للخطوط معلومات حول حركة الغاز، فإذا كانت الشمس تتكون فقط من عناصر مثل الهيدروجين النقي.

فلن يكون هناك خط امتصاص، وهذا يعني أن الباحثين لم يكونوا قادرين على دراسة درجة حرارة أو حركة الغلاف الجوي للشمس، وستكون هذه هي النهاية بالنسبة لهم، فبفضل الشوائب والعناصر، يمكن فحص الشمس بالتفصيل.

كيفية تحديد خطوط فراونهوفر الكمية

إذا تم فحص الطيف الشمسي عن كثب، فقد وجد أنه يتكون من عدد كبير من الخطوط المظلمة، وتسمى هذه الخطوط المظلمة في الطيف الشمسي خطوط فراونهوفر، ويعتبر الطيف الشمسي هو مثال على طيف امتصاص الخط.

يُطلق على اللب المركزي للشمس الفوتوسفير الذي يكون عند درجة حرارة عالية جدًا تصل إلى 14 مليون كلفن، فينبعث منها طيف مستمر من الطبقة الخارجية للشمس تسمى الكروموسفير، وهذا يحدث عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا عند حوالي 6000 كلفن، ويحتوي على عناصر مختلفة في الحالة الغازية.

وعندما يمر الضوء من اللب المركزي للشمس عبر الغلاف الجوي للشمس، يتم امتصاص أطوال موجية معينة بواسطة العناصر الموجودة في الكروموسفير ويتم تمييز الطيف بخطوط مظلمة؛ بمقارنة أطياف الامتصاص للمواد المختلفة بخطوط فراونهوفر في الطيف الشمسي، حيث تم تحديد العناصر الموجودة في الغلاف الجوي للشمس.

وفقًا لبوهر، يمكن للإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين أن يفترض حالات مثارة مختلفة بالإضافة إلى الحالة الأرضية، أي يمكن رفعه إلى مدار أعلى بقوة من خلال تشعيع الطاقة الخارجية في شكل كم خفيف، وعندما “تتراجع” إلى الحالة الأرضية، يتم إعادة انبعاث كمية الطاقة المقابلة، اعتمادًا على الطول الموجي، يتم إنتاج ضوء لون معين، وإن الكميات الممتصة أو المنبعثة من الطاقة ليست اعتباطية، ولكنها بدلاً من ذلك “كمية”.