شارح الدرس: أطياف الانبعاث والامتصاص الفيزياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد تكوين مادة ما باستخدام الخواص التي تظهر في طيف الضوء المنبعث منها.

الضوء طيف. وبالنسبة إلى الضوء المرئي، فإن لونه يعتمد على طوله الموجي؛ أي ، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

ينشأ هذا الطيف عند تسليط ضوء أبيض نقي، يتكوَّن من جميع الأطوال الموجية المرئية، عبر منشور. ويُعَد ضوء الشمس قريبًا جدًّا من أن يكون ضوءًا أبيض نقيًّا، وهو يُنتج طيفًا كهذا. وهذا الطيف غير المتقطِّع يُعرَف باسم «الطيف المتصل». يوضِّح الشكل الآتي الطيف غير المتقطِّع الناتج عن تسليط ضوء عبر منشور.

لا ينبعث ضوء أبيض نقي من كل مصادر الضوء. مثلًا، ينبعث من مصابيح الهالوجين المتوهِّجة ضوء أحمر وأصفر بقدر أكبر من أي ضوء ذي أطوال موجية أخرى؛ ومن ثَمَّ يشع منها ضوء ذو ألوان دافئة أكثر من ضوء الشمس. والأطوال الموجية للضوء المنبعث من هذه المصابيح تمثِّل طيفًا متصلًا، رغم أنه يكون غالبًا ضوءًا أحمر وبرتقالي اللون. يوضِّح التمثيل البياني الآتي هذا الطيف.

المحور في هذا التمثيل البياني هو مقدار الضوء المنبعث؛ أي الشدة، والمحور هو الطول الموجي للضوء المناظر للون.

ينبعث ضوء من مصابيح الهالوجين المتوهِّجة بسبب إشعاع الجسم الأسود. ويحدث إشعاع الجسم الأسود عندما يكون للجسم درجة حرارة؛ ما يجعله يبعث ضوءًا. وإشعاع الجسم الأسود طيف متصل، ما يعني أن شدته قد تتغيَّر في مناطق معيَّنة، لكنه ينبعث من جميع الأطوال الموجية.

يمكن أيضًا أن ينبعث ضوء من الغازات الساخنة النقية؛ مثل الغازات الموجودة في مصابيح النيون. وعلى عكس إشعاع الجسم الأسود، فإن الضوء في هذه المصابيح لا يكون طيفًا متصلًا. فهذه الغازات تبعث ضوءًا له أطوال موجية محدَّدة جدًّا، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

يُطلِق هذا الغاز الساخن فوتونات، ولا يوجد مصدر ضوء خارجي. والسبب في إطلاق الغاز لهذه الفوتونات ذات الأطوال الموجية المحدَّدة هو أن هذه الفوتونات لها طاقة معيَّنة. نتذكَّر المعادلة التي تعبِّر عن طاقة الفوتون؛ أي ، وهي: حيث ثابت بلانك، و سرعة الضوء، و الطول الموجي للضوء.

ترتبط هذه الطاقة بالفرق في مستويات طاقة الإلكترون. فعندما ينتقل إلكترون لأسفل، ينبعث منه فوتون له طاقة تساوي تقريبًا فرق الطاقة بين مستويَي طاقة في الإلكترون. يوضِّح الشكل الآتي انتقال إلكترون من مستوى الطاقة الثاني إلى الحالة الأرضية، والفوتون المنبعث بسبب ذلك.

إذا كانت طاقة الحالة الأرضية هي ، والمستوى الثاني للطاقة هو ، فيمكننا عندئذٍ الربط بين طاقة الفوتون المنبعث والفرق بين مستويَي الطاقة في الإلكترون باستخدام المعادلتين الآتيتين:

يكون الغاز الساخن أفضل في تكوين أطياف الانبعاث. فارتفاع درجة الحرارة يعني مستوى طاقة أعلى في العموم، وهو ما يعني وجود إلكترونات أقل في الحالة الأرضية. والغازات الأكثر سخونة تبعث فوتونات بسهولة أكبر.

وبما أن كل عنصر له مستويات طاقة فريدة لإلكتروناته، إذن يعني هذا أن كل عنصر له أطياف انبعاث فريدة خاصة به، كما هو موضَّح في الأشكال الآتية.

بعض الخطوط بين العناصر يمكن أن تكون قريبة جدًّا بعضها من بعض، كما هو الحال في منطقة الضوء البنفسجي في الهيدروجين والهليوم. ولهذا السبب، من المهم أن ننظر إلى الطيف بالكامل للتحقُّق من تفرُّده. ويمكن استخدام مقارنة أطياف الانبعاث للعناصر المعروفة لتحديد الغازات المجهولة.

نُلقي نظرة على مثال.

مثال ١: التعرُّف على غاز مجهول باستخدام أطياف الانبعاث

لدى عالِم عيِّنة من غاز مجهول. لكي يتعرَّف العالِم على الغاز، لاحَظ طيف الضوء المرئي المنبعث من الغاز عند تسخينه. يُظهِر الشكل هذا الطيف. ويُظهِر أيضًا الأطياف المنبعثة لخمسة عناصر غازية نقية. أيُّ العناصر الخمسة هو الغاز المجهول؟

1. الزينون
2. الأرجون
3. الأكسجين
4. الهليوم
5. النيون

الحل

نبدأ بالنظر إلى المواضع التي لا تُوجَد فيها خطوط انبعاث في الغازات الأخرى. هذا الغاز المجهول ليست له خطوط انبعاث عند 440 nm تقريبًا أو أقل، إذن لا يمكن أن يكون الهليوم أو الأكسجين أو الأرجون.

يبدو أن الزينون يحتوي على بعض الخطوط المطابقة، لكن مقارنة الخطوط بالنيون توضِّح أنها تتطابق تمامًا. وبذلك يكون الغاز المجهول هو النيون؛ أي الخيار (هـ).

أطياف الانبعاث ليست هي النوع الوحيد من الأطياف الذي يفيدنا في تحديد الغازات. تُوجَد أيضًا أطياف الامتصاص، وهي عكس أطياف الانبعاث. فبدلًا من تمثيل الفوتونات المنبعثة من إلكترونات غاز ما، فإنها توضِّح مواضع امتصاصها.

تُشير الخطوط السوداء في أطياف الامتصاص إلى المناطق التي لا يُوجَد فيها ضوء بهذا الطول الموجي المحدَّد. وتنشأ أطياف الامتصاص عندما يمر ضوء من خلال غاز ما في طريقه للمرور عبر منشور، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

يرجع السبب في عدم وجود بعض الأجزاء المعيَّنة إلى أن الغاز يمتص تلك الأطوال الموجية للضوء، فيحُول دون ظهورها في الطيف. ولا يمتص الغاز الأطوال الموجية الأخرى للضوء التي مرت عبره.

فهذا الغاز لا يمتص سوى أطوال موجية محدَّدة للضوء؛ أي فوتونات ذات مستويات طاقة محدَّدة. تذكَّر أن المعادلة التي تعبِّر عن طاقة الفوتون هي:

ترتبط طاقة الفوتون هذه بالفروق بين مستويات طاقة الإلكترون. فلكي يتحرَّك إلكترون لأعلى، يجب أن يمتص فوتونًا له طاقة تساوي تقريبًا الفرق بين مستويَي طاقة. ويوضِّح الشكل الآتي الإلكترون الذي ينتقل من الحالة الأرضية إلى مستوى الطاقة الثالث، والفوتون الذي امتصه للقيام بذلك.

إذا كانت طاقة الحالة الأرضية هي ، وطاقة مستوى الطاقة الثالث هي ، فيمكننا عندئذٍ الربط بين الفرق في مستويات طاقة الإلكترون وطاقة الفوتون المنبعث كالآتي:

ومثلما تبعث الإلكترونات فوتونات ذات طاقة محدَّدة للانتقال لأسفل، فإن الانتقال لأعلى في مستويات الطاقة يتطلَّب أيضًا فوتونات ذات طاقة محدَّدة.

يكون الغاز البارد أفضل في تكوين أطياف الامتصاص. فانخفاض درجة الحرارة؛ ومن ثَمَّ انخفاض الطاقة في العموم، يعني مزيدًا من الإلكترونات في الحالة الأرضية. ويعني هذا وجود فرص أكثر لكي يمتص الغاز الضوء امتصاصًا أكبر ممَّا سيمتصه إن كانت بعض الإلكترونات في مستوى طاقة أعلى بالفعل.

تكون لكل عنصر أطياف امتصاص فريدة، تمامًا مثلما تكون له أطياف انبعاث فريدة. وهذا يعني أنه يمكن استخدام هذه الأطياف لتحديد الغازات المجهولة. توضِّح الأشكال الآتية بعض الأمثلة على أطياف الغازات النقية.

نتناول مثالًا.

مثال ٢: التعرُّف على غاز مجهول باستخدام أطياف الامتصاص

لدى عالِمة عيِّنة من غاز مجهول. لكي تتعرَّف العالِمة على الغاز، سلَّطت طيفًا متصلًا من الضوء الأبيض على الغاز، ولاحظت أطوال الضوء الموجية التي امتصها الغاز. يوضِّح الشكل ذلك، ويوضِّح أيضًا أطياف الامتصاص لخمسة عناصر غازية نقية. أيُّ العناصر الخمسة هو الغاز المجهول؟

1. الأكسجين
2. الأرجون
3. الزينون
4. الهليوم
5. النيون

الحل

لدينا هنا عدة أطياف امتصاص، ونريد تحديد الطيف الأكثر تطابقًا مع الغاز المجهول.

لا يمكن أن تكون إجابة ذلك هي الهليوم؛ لأن الغاز المجهول ليس له خطوط امتصاص في منطقة الضوء البنفسجي ( nm). ولنفس السبب، لا يمكن أن تكون الإجابة هي الأكسجين أو الأرجون؛ لأن لهما خطوط امتصاص في تلك المنطقة.

إذن تقتصر الخيارات لدينا على النيون والزينون. يبدو أن النيون يطابق بعض الخطوط في البداية، خاصةً في منطقتَي الضوء الأزرق والضوء الأحمر، لكن ليس جميعها. من ناحية أخرى، يطابق الزينون الغاز المجهول تمامًا؛ إذ إن الخطوط متماثلة.

إذن الإجابة هي الخيار (ج)؛ أي الزينون.

عندما يمتص إلكترون طاقة فوتون؛ ومن ثَمَّ يصبح مُثارًا، لا يمكنه أن يظل في هذا المستوى الأعلى من الطاقة لمدة طويلة. وفي النهاية، تنتقل الإلكترونات المُثارة إلى مستويات طاقة أقل، فتنتج طاقة مساوية للفرق بين مستويات الطاقة تلك في صورة فوتون.

بعض خطوط الامتصاص عرضها أكبر من الأخرى. فكلما زادت فترة بقاء الإلكترون عند مستوى طاقة أعلى، أصبح عرض خط الامتصاص الناتج أقل.

يعني هذا أن الخطوط الأعرض تُشير إلى منطقة يستغرق فيها انتقال الإلكترون فترة زمنية قصيرة. وعلى عكس ذلك، تشير الخطوط الأقل عرضًا إلى المناطق التي يستغرق فيها انتقال الإلكترون وقتًا أطول.

نتناول مثالًا.

مثال ٣: تحديد عرض خط امتصاص الزينون

يوضِّح الشكل طيف امتصاص الزينون بين 400 nm و420 nm. أيٌّ من خطوط الامتصاص المبيَّنة على الشكل أعرض؟

1. الخط A
2. الخط B
3. الخط C
4. الخط D
5. الخط E
6. الخط F

الحل

تُشير أطوال الخطوط المختلفة هنا إلى فترة بقاء الإلكترون في مستوى طاقة أعلى قبل أن ينتقل لأسفل؛ إذ تعني الخطوط الأقل عرضًا أن الانتقال يستغرق وقتًا أطول. وبالنظر إلى هذه الخطوط، يتضح أيٌّ منها الأعرض دون الحاجة إلى قياسها؛ إنه الخط E.

ومن ثَمَّ، فإن الإلكترونات المرتبطة بالخط E التي تمتص الفوتونات، تستغرق الوقت الأقل في مستويات الطاقة العليا.

إذن، الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ)؛ أي الخط E.

يفيد استخدام أطياف الانبعاث والامتصاص في تحديد الغازات المجهولة، لكن نادرًا ما تتكوَّن الغازات المجهولة من عنصر واحد. وعند النظر إلى مزيج من الغازات، تظهر خطوط الطيف لجميع مكوِّنات الغاز، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

يوضِّح الشكل السابق طيف الانبعاث للأكسجين والهليوم، كلٌّ على حدة، بالإضافة إلى الخليط بينهما الموجود في المنتصف. يحتوي هذا الخليط على جميع خطوط الانبعاث لكلٍّ من الأكسجين والهليوم.

وبالمثل، تكون جميع خطوط الامتصاص لطيف امتصاص ما في خليط غازي موجودة في الطيف، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

نتناول بعض الأمثلة الأخرى.

مثال ٤: تحديد مكوِّنات الغاز باستخدام أطياف الامتصاص

رَصَد عالم فلك طيف الضوء المرئي المنبعث من نجم بعيد. تُوجَد بين الأرض والنجم سحابة ضخمة من الغبار والغاز. يبعث النجم طيفًا متصلًا من الضوء الأبيض، لكن بعضًا من الضوء تم امتصاصه بواسطة السحابة. يوضِّح الشكل طيف الضوء الذي رصده العالم، إضافةً إلى أطياف الامتصاص لعدة عناصر نقية. أيٌّ من العناصر الخمسة الموضَّحة يمكن أن تتكوَّن منها السحابة النجمية؟

1. الهيدروجين والهليوم
2. الهيدروجين والأكسجين
3. الأكسجين والنيتروجين
4. الأكسجين والكربون
5. الهيدروجين، والهليوم، والنيتروجين

الحل

يتكوَّن الطيف المرصود من عدة غازات مختلفة. لمعرفة من أيِّ الغازات تتكوَّن السحابة، علينا النظر إلى خطوط الامتصاص ومطابقتها قدر الإمكان بالغازات لدينا.

علينا البدء بالنظر إلى المناطق التي لا يحتوي فيها طيف السحابة النجمية على أي خطوط امتصاص على الإطلاق. فهو يحتوي على فجوة كبيرة من 520 إلى 580 nm ليس لها أي خطوط؛ ومن ثَمَّ، فإن أي غازات لها خطوط في هذه المنطقة ليست ضمن العناصر المكوِّنة للسحابة. وهذا يجعلنا نستبعد كلًّا من الكربون والنيتروجين والأكسجين من المكوِّنات التي يمكن أن يتكوَّن منها الغاز.

إذن يتبقى لدينا الهيدروجين والهليوم. تتطابق خطوط الامتصاص تمامًا مع خطوط الامتصاص في الهيدروجين والهليوم. وعلى وجه التحديد، تحتوي السحابة النجمية على خط الامتصاص الفريد للهليوم عند 585 nm تقريبًا.

إذن الإجابة هي الخيار (أ)؛ أي الهيدروجين والهليوم.

نتناول مثالًا على ذلك باستخدام أطياف الانبعاث.

مثال ٥: تحديد مكوِّنات الغاز باستخدام أطياف الانبعاث

لدى عالِمة أنبوبة غاز تحتوي على خليط من الغازات المجهولة. من أجل تحديد الغازات في الخليط، فحصت العالِمة طيف الضوء المرئي المنبعث من الخليط عند تسخينه. يوضِّح الشكل هذه العملية. يوضِّح الشكل أيضًا أطياف الانبعاث لعدة عناصر غازية نقية. أيٌّ من العناصر الخمسة يتكوَّن منه الخليط؟

1. الهيدروجين والهليوم والنيتروجين
2. الهيدروجين والأرجون
3. الهليوم والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والأرجون
4. الأكسجين والهليوم والهيدروجين
5. الهليوم والأكسجين والنيتروجين والأرجون

الحل

يحتوي هذا الخليط من الغاز على العديد من خطوط الانبعاث، لكن ليس علينا سوى إيجاد فرق واحد فقط لاستبعاد غاز معيَّن من كونه أحد مكوِّنات الخليط. ولا يمكننا البدء بملاحظة الموضع الذي لا يحتوي فيه خليط الغاز المجهول على خطوط انبعاث؛ إذ إنه يغطي الطيف بأكمله تقريبًا. نقارن إذن بين الغازات، كلٌّ على حدة.

يبدو أن خطوط الهيدروجين في منطقة الضوء البنفسجي مطابقة، لكن الخطوط عند 485 nm و655 nm تقريبًا ليست كذلك. إذن هذا الغاز على الأرجح لا يحتوي على الهيدروجين.

بالنسبة إلى الهليوم، نلاحظ أن بعض الخطوط الخضراء عند 500 nm تقريبًا مطابقة تمامًا وغير موجودة في أي غاز آخر؛ ومن ثَمَّ، يحتوي خليط الغاز على الهليوم بالتأكيد.

يبدو أن جميع خطوط الأكسجين موجودة في خليط الغاز؛ لذا، فإنه يحتوي على الأكسجين.

بالنسبة إلى خطوط الانبعاث الأكثر سُمكًا في خليط الغاز، التي تقع في منطقة الضوء الأحمر عند 650 nm تقريبًا، فإنها تطابق خطوط النيتروجين السميكة في المنطقة نفسها. إذن يحتوي الغاز على النيتروجين.

وأخيرًا لدينا الأرجون، الذي يشغل الخطوط الأخيرة عند مناطق الضوء الأرجواني والأصفر والأحمر. يبدو أن هذا هو مصدر معظم طيف الانبعاث؛ ومن ثَمَّ، يحتوي الغاز على الأرجون.

إذن الإجابة هي جميع الغازات باستثناء الهيدروجين. يعني هذا أن الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ)؛ أي الهليوم والأكسجين والنيتروجين والأرجون.

نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.