فيديو الدرس: أطياف الانبعاث والامتصاص الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتحدث عن أطياف الانبعاث والامتصاص. يمكننا أن نرى مثالين على هذه الأطياف على الشاشة حيث تمثل الصورة العليا طيف الامتصاص، وتمثل الصورة السفلى طيف الانبعاث. لاحظ أنه في حالة المفرد يسمى ذلك طيفًا، بينما يشار إلى أكثر من واحد بالأطياف.

قبل أن نفحص هذه الأطياف بدقة، لننظر إلى هذا الطيف. وهو ما يسمى الطيف المتصل. تشير كلمة «طيف» إلى مجموعة من الأطوال الموجية. نرى هنا جميع الألوان المختلفة التي تتأثر بها أعيننا. وتشير كلمة «متصل» إلى أن كل الأطوال الموجية الموجودة في الطيف ممثلة. بعبارة أخرى، هذا الطيف لا ينقصه أي ألوان. فكل لون، أو كل طول موجي للضوء المرئي، موجود. ويمكن تكوين طيف كهذا باستخدام شيئين.

الأول هو مصدر ضوء أبيض، أي ضوء ينبعث منه جميع الأطوال الموجية المرئية. والآخر يسمى منشورًا. وهو جسم مثلث، غالبًا ما يكون مصنوعًا من الزجاج، وتنكسر فيه الألوان المختلفة للضوء بدرجات مختلفة. هذا يعني أننا إذا أسقطنا ضوءًا أبيض على المنشور، فسيحلل المنشور هذا الضوء إلى جميع الألوان المختلفة التي يمكن أن تراها أعيننا. وستنكسر في المنشور هذه الألوان المختلفة بدرجات مختلفة. هذا يؤدي إلى تفريق ألوان الضوء المختلفة عند تحركها عبر المنشور. وإذا سلطنا كل هذه الألوان على شاشة أو سطح ما، نحصل على طيف متصل.

لنتخيل أننا غيرنا هذه التجربة قليلًا. فنفترض أننا وضعنا شيئًا ما بين الضوء الأبيض والمنشور. على وجه التحديد، لنقل إننا وضعنا غازًا باردًا من عنصر معين أمام الضوء الأبيض. سنشرح لماذا يجب أن يكون هذا الغاز باردًا فيما بعد. لكن الآن كل ما نحتاج إلى معرفته هو أن الذرات الباردة لعنصر ما تشكل غازًا أمام الضوء الأبيض. بعد ذلك، كما فعلنا من قبل، نضع منشورًا في مسار شعاع الضوء، ومرة أخرى نسقط كل الضوء الذي يمر عبر المنشور ويتفرق في صورة طيف ملون، على شاشة. إذا فعلنا ذلك، فسنرى شكلًا كهذا.

لاحظ أن هذا الطيف يشبه إلى حد كبير الطيف المتصل الذي رأيناه سابقًا باستثناء أمر واحد. وهو هذه الحزم المظلمة، أو هذه الخطوط السوداء، التي تظهر عند أطوال موجية مختلفة في هذا الطيف. تمثل هذه الحزم المظلمة أطوالًا موجية معينة غير موجودة في الضوء الذي يمر عبر المنشور. وهنا يتضح أمر مهم. نعلم أن هذه الأطوال الموجية للضوء، وكذلك جميع الأطوال الموجية المرئية الأخرى، كانت موجودة في الضوء الأبيض المنبعث من المصدر. إذن لكي تختفي هذه الأطوال الموجية من الطيف كما نلاحظ هنا، لا بد أن تكون قد تعرضت لشيء ما عند انتقالها في الغاز البارد. وما حدث في الواقع هو أن الغاز امتص هذه الأطوال الموجية.

لكن هذا يثير سؤالًا. لماذا امتص الغاز هذه الأطوال الموجية المحددة التي تمثلها الثغرات الموجودة في الطيف، بينما لم يحدث ذلك مع الأطوال الموجية الأخرى؟ بعبارة أخرى، يبدو أن الغاز امتص الضوء عند هذا الطول الموجي، وهذا الطول الموجي وهذا وهذا وهذا، إلى آخره. لكنه سمح بمرور الضوء الذي له هذه الأطوال الموجية التي تظهر هنا في الطيف. للإجابة عن هذا السؤال المتعلق بسبب انبعاث بعض الأشعة عبر الغاز بينما تم امتصاص البعض الآخر، سنحتاج إلى دراسة هذا الغاز البارد على المستوى الذري.

لنفترض أن هذا الرسم يمثل ذرة واحدة من الغاز. في هذا الرسم، نرى نواة الذرة. والتي تقع هنا في المركز. ونرى أيضًا هذه الحلقات الثلاث المتحدة المركز. تمثل هذه الحلقات، وفقًا لنموذج سابق للذرة، مستويات مختلفة من الطاقة يمكن أن تملأها الإلكترونات. إذن لنفترض أن لدينا إلكترونًا عند مستوى الطاقة هذا، وهو أقل مستوى طاقة، لكن بعد ذلك أصبح بإمكان هذا الإلكترون الانتقال إلى مستوى طاقة أعلى داخل الذرة. لكي يتحقق ذلك، يمتص الإلكترون طاقة. وهذه الطاقة يجب أن تأتي من خارج الذرة.

ثمة أمر مثير للاهتمام هنا. لكي ينتقل هذا الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى، يجب أن يمتص كمية محددة جدًا من الطاقة لتحقيق ذلك. لنفترض أن الإلكترون سينتقل من مستوى طاقته الحالي إلى هذا المدار الخارجي في الذرة. كما ذكرنا، الطاقة التي يحتاج الإلكترون إلى امتصاصها لكي ينتقل يجب أن تأتي من خارج الذرة. يحدث هذا غالبًا من خلال امتصاص الإلكترون فوتونًا يحتوي على القدر المناسب من الطاقة اللازمة لحدوث عملية الانتقال.

والآن، لنتذكر معادلة طاقة الفوتون بدلالة طوله الموجي. يمكننا الإشارة إلى طاقة الفوتون بالرمز ‪𝐸𝑝‬‏، وهي تساوي ثابت بلانك ‪ℎ‬‏ في سرعة الضوء في الفراغ، وهي سرعة الفوتون، مقسومة على طوله الموجي ‪𝜆‬‏. وهنا يتضح أمر مهم. يمكن أن يحمل الفوتون أي كمية من الطاقة تبعًا لطوله الموجي. لكن لكي يتحول الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى، يحتاج إلى كمية دقيقة جدًا من الطاقة. إذا أشرنا للطاقة اللازمة لحدوث الانتقال المحدد الذي نتحدث عنه بالرمز ‪Δ𝐸‬‏، فبالنسبة إلى طاقة الفوتون، نحتاج إلى فوتون ذي طول موجي محدد ‪𝜆‬‏ لكي يصبح المقدار ‪𝑐‬‏ على ‪𝜆‬‏ في ‪ℎ‬‏ مساويًا لهذا المقدار من الطاقة.

إذن من بين جميع الأطوال الموجية المحتملة للفوتونات الساقطة على هذه الذرة، يمكننا القول إن الإلكترون يختار فقط الفوتونات ذات الطول الموجي المناسب لتوفير الكمية المناسبة من الطاقة التي تسمح للإلكترون بالانتقال إلى مستوى طاقة أعلى. فعند سقوط فوتون بالطول الموجي المناسب، وبالتالي بكمية الطاقة المناسبة، يمتصه الإلكترون وينتقل إلى مستوى الطاقة الأعلى. كلمة «يمتص» مهمة هنا. فالإلكترون يمتص الفوتون الساقط بالفعل لكي يحصل على طاقته. هذا يعني بالطبع أن هذا الفوتون لم يعد موجودًا.

وإذا فكرنا في هذا الفوتون من حيث طول موجي محدد للضوء المنبعث من المصدر، يمكننا أن نتوقع أن تمتص ذرات الغاز هذا الطول الموجي المحدد ولا تسمح له بالوصول إلى المنشور، ومن ثم إلى الشاشة. وهذا هو السبب في رؤيتنا لهذه الحزم الضيقة المظلمة في الطيف. فهذه الأطوال الموجية تناظر الأطوال الموجية للضوء التي يمكن لذرات الغاز البارد امتصاصها. وهذا يعني أن هذه هي الأطوال الموجية للضوء التي تسمح بالانتقالات الذرية داخل الذرة. والآن، تذكر أننا أوضحنا أن هذا الغاز بارد. السبب في اختيار غاز بارد هو أن الذرات الباردة لها طاقة منخفضة نسبيًا. هذا يعني أن أي إلكترونات تحتوي عليها — لنفترض أن لهذه الذرة بالتحديد إلكترونين — تحتل أقل مستويات الطاقة الممكنة.

وهذا مهم لأن الإلكترونات التي يمكنها الانتقال إلى مستوى طاقة أعلى هي فقط القادرة على امتصاص الإشعاع الوارد لتحقيق هذا الانتقال. تخيل أنه بدلًا من ذرة باردة، كانت لدينا ذرة ساخنة، أي ذرة عالية الطاقة. في هذه الحالة، قد توجد الإلكترونات بالفعل في مستوى الطاقة الخارجي أو أعلى مستوى للطاقة. وهذا يعني أنه بغض النظر عن الطول الموجي للإشعاع الوارد، لا تستطيع الإلكترونات امتصاصه. فلا يوجد أي مستوى طاقة أعلى تنتقل إليه. إذن لدراسة كيفية امتصاص عنصر معين للإشعاع، من المهم أن نستخدم ذرات منخفضة الطاقة لهذا العنصر، أي ذرات باردة. ولهذا نستخدم في هذه التجربة غازًا باردًا.

هذا الطيف الذي نراه، والذي يشبه إلى حد كبير الطيف المتصل باستثناء هذه الحزم المظلمة القليلة التي نراها، يسمى طيف الامتصاص، وتسمى الحزم المظلمة خطوط الامتصاص. كل عنصر له طيف امتصاص خاص به. وتتكون هذه الأطياف بالطريقة التي أوضحناها هنا، أي عن طريق تمرير ضوء أبيض عبر غاز بارد من عنصر معين، ثم تفريق هذا الضوء باستخدام منشور بحيث يكون طيفًا. وكما نلاحظ من عنوان الدرس، طيف الامتصاص ليس هو النوع الوحيد الذي يمكننا تكوينه.

لنفترض أننا أخذنا غازًا من عنصر معين وسخناه. ثم وضعنا منشورًا أمام هذا الغاز الساخن. سيبعث هذا الغاز ضوءًا، وعند تفريق هذا الضوء بواسطة المنشور وإسقاطه على شاشة، ينتج عنه طيف خاص به. لكننا نلاحظ أن هذا الطيف مختلف تمامًا عن طيف الامتصاص الذي تناولناه منذ قليل. فبينما أظهر طيف الامتصاص كل الأطوال الموجية تقريبًا للضوء المرئي، مع وجود بعض الحزم المظلمة التي تمثل أطوالًا موجية غير موجودة، فإن هذا الطيف الذي نراه في الجزء العلوي من الشاشة هو على النقيض من ذلك. فهو داكن في معظمه، مع وجود حزم قليلة ملونة. وهذا يعرف باسم طيف الانبعاث. ويمكن بوجه عام التعرف على أطياف الانبعاث بسهولة لأنها تكون سوداء في معظمها. فهي خالية تقريبًا من الضوء.

كما هو الحال مع طيف الامتصاص الموضح بالأسفل، نواجه سؤالًا مماثلًا. لماذا تظهر هذه الأطوال الموجية للضوء تحديدًا في طيف الانبعاث، بينما تختفي الغالبية العظمى من الأطوال الموجية؟ يرجع ذلك أيضًا إلى البنية الخاصة للذرة التي نتعامل معها. تذكر أننا حددنا أن الغاز الذي ينتج طيف الانبعاث هو غاز ساخن. وأحد تأثيرات تسخين الغاز هو إعطاء ذراته طاقة، ما يعني أن الإلكترونات في هذه الذرات تحتل عادة مستويات طاقة عالية إلى حد ما. وعندما تنتقل الإلكترونات الموجودة في هذه المستويات العليا من الطاقة، تنتقل مرة أخرى نحو نواة الذرة. هذا يعني أنها تفقد غالبًا قدرًا من الطاقة وتنتقل إلى مستوى طاقة أقل.

وعندما يحدث ذلك، تتحرر الطاقة التي يفقدها الإلكترون في عملية الانتقال. وتنطلق هذه الطاقة في صورة فوتون، أي حزمة من الضوء. ثمة أمر شائق هنا. وهو يتعلق بطول موجة الفوتون اللازم لإعطاء طاقة للإلكترون بحيث ينتقل من الحالة الأرضية إلى حالة أعلى. فهذا الطول هو بالتحديد نفس الطول الموجي للضوء المنطلق عند انتقال الإلكترون في الاتجاه المعاكس، أي من طاقة أعلى إلى طاقة أقل. لذا يرجع السبب في وجود هذه الحزم الملونة في طيف الانبعاث، أي وجود أطوال موجية للضوء عند هذه الألوان، إلى أن الإلكترونات الموجودة في ذرات الغاز الساخنة تنتقل مرة أخرى إلى مستوى طاقة أقل وتبعث فوتونات خلال هذه العملية. وهذه الفوتونات المنبعثة وأطوالها الموجية المحددة هي التي تظهر في الطيف.

فهمنا الآن سبب وجود هذه الحزم المظلمة في طيف الامتصاص. فيمتص الغاز هذه الأطوال الموجية للضوء. وعرفنا أيضًا سبب وجود هذه الحزم الملونة، المعروفة باسم خطوط الانبعاث، في طيف الانبعاث. فهذه هي الأطوال الموجية للضوء المنبعث من الغاز الساخن للعنصر نفسه. بما أن كلًا من طيف الامتصاص والانبعاث الموضحين يمثلان العنصر نفسه، نلاحظ أن هذه الحزم تظهر عند نفس الطول الموجي لكل طيف. وهذا دليل واضح على أن طيفي الامتصاص والانبعاث الموضحين يمثلان العنصر نفسه.

ذكرنا من قبل أن الموقع المحدد لهذه الحزم في طيف الانبعاث أو الامتصاص يدل على العنصر الذي أنتج هذه الأطياف. وهذا يعني أن الأطوال الموجية المحددة التي تظهر عندها هذه الحزم تكون مميزة للعنصر الذي أنتجها. لذلك يستطيع الباحثون النظر إلى طيف معين والعمل على معرفة العنصر أو العناصر التي ساعدت في تكوينه. وبالمناسبة، طيفا الانبعاث والامتصاص في حالتنا هذه يمثلان عنصر الهليوم. ثمة أمر مهم آخر يجب ملاحظته بشأن هذين الطيفين. لكن من الصعب قليلًا ملاحظته نظرًا لصغر حجم الصورتين على الشاشة. لذا سنحتاج إلى زيادة حجم صورة طيف الامتصاص لنراه بشكل أوضح.

حسنًا، هذا أفضل قليلًا. لنلق نظرة، على سبيل المثال، على خط الامتصاص هذا مقارنة بهذا الخط الموجود هنا. يبدو هذان الخطان مختلفين. فالخط الموجود على اليسار يبدو أكثر اتساعًا من الخط الموجود على اليمين. يمكننا القول إن حزمة الامتصاص هذه أكثر سمكًا من هذه الحزمة. في الواقع، هذا ليس مجرد انطباع لدينا. فيوجد فرق بالفعل بين سمك الخطوط الطيفية المختلفة. في الواقع، من المعتاد أن يختلف سمك هذه الخطوط لدرجة أنه من الشائع التحدث عما يسمى اتساع الخط الطيفي. فكلما زاد سمك الخط الطيفي، مثل هذا الخط ذي السمك الكبير نسبيًا، زاد اتساعه. لكن هذا يجعلنا نتساءل ما الذي يجعل خطًا طيفيًا معينًا أكثر أو أقل اتساعًا؟ بعبارة أخرى، ما الذي يؤدي إلى الاختلاف بين هذا الخط الطيفي المتسع نسبيًا هنا وهذا الخط الرفيع نسبيًا؟

يوجد العديد من العوامل التي يمكن أن تؤدي إلى ما يسمى توسع الخط. عندما يتوسع خط طيفي، فهذا يعني زيادة عرضه. ويمكن أن يحدث توسع الخطوط عند تسخين ذرات الغاز التي ساعدت في تكوين الأطياف أو تحت تأثير الضغط. وكذلك يرجع أحد أكبر التأثيرات على اتساع الخط الطيفي إلى انتقال الإلكترونات داخل هذه الذرات. عندما ينتقل إلكترون إلى حالة مثارة، مثل هذا الإلكترون هنا، بانتقاله إلى أعلى مستوى للطاقة، فإن الزمن الذي يقضيه الإلكترون في هذا المستوى قبل انتقاله إلى مستوى طاقة أقل له تأثير مباشر على اتساع الخط الطيفي الناتج. فكلما زادت فترة بقاء الإلكترونات في مستوى الطاقة العالي قبل هبوطها إلى مستوى أقل، قل اتساع الخط الطيفي الناتج.

والعكس صحيح أيضًا. إذا ظل الإلكترون لوقت قصير فقط في مستوى الطاقة العالي قبل الانتقال إلى مستوى أقل، فسيكون الخط الطيفي الناتج عريضًا أو متسعًا نسبيًا. باستخدام طيف الانبعاث أو الامتصاص لعنصر ما، يمكن قياس اتساع أي خط طيفي بوحدة النانومتر مثلًا. وهذا الاتساع يناظر مدى الأطوال الموجية التي تم امتصاصها أو انبعاثها، معبرًا عنها بوحدة النانومتر. الآن وقد عرفنا بعض المعلومات عن أطياف الانبعاث والامتصاص، لنتدرب قليلًا على هذه الأفكار من خلال مثال.

لدى عالمة عينة من غاز مجهول. لكي تتعرف العالمة على الغاز، لاحظت طيف الضوء المرئي المنبعث من الغاز عند تسخينه. يظهر الشكل هذا الطيف. كذلك يظهر الأطياف المنبعثة من ثلاثة عناصر غازية نقية. أي العناصر الثلاثة هو الغاز المجهول؟

بإلقاء نظرة على الشكل الذي لدينا، نرى عددًا من أطياف الانبعاث. الطيف الأول الموجود في الأعلى هو طيف لغاز مجهول نريد معرفته. ويليه أطياف انبعاث الهيدروجين والهليوم والأكسجين، بالترتيب. السؤال هنا هو: أي هذه العناصر الثلاثة هو الغاز المجهول؟ أول ما يمكننا ملاحظته هنا هو أن الغاز المجهول عينة نقية. فهو ليس خليطًا من مجموعة من العناصر الأخرى. هذا يعني أنه إما هيدروجين بالكامل أو هليوم بالكامل أو أكسجين بالكامل. بمعرفة هذه المعطيات، ما نريد إيجاده هو تطابق بين طيف الغاز المجهول وطيف أحد هذه الغازات الأخرى. وإليك طريقة تحديد هذا التطابق.

بالنظر إلى طيف الغاز المجهول، يمكننا ملاحظة الأطوال الموجية المحددة التي تناظر خطوط انبعاث هذا الغاز المجهول. على سبيل المثال، يوجد خط انبعاث الغاز المجهول هذا عند ‪422‬‏ نانومترًا تقريبًا، بينما يوجد هذا الخط عند ‪437‬‏ نانومترًا تقريبًا، وهكذا مع خطوط الانبعاث الأخرى الموجودة في هذا الطيف. ونريد معرفة أي هذه الغازات الثلاثة الأخرى، الهيدروجين أو الهليوم أو الأكسجين، له خطوط انبعاث ذات طول موجي مماثل للعينة المجهولة. يمكننا إجراء هذه المقارنة بالنظر.

لنبدأ بخط الانبعاث هذا الموجود عند ‪422‬‏ نانومترًا تقريبًا. بالنظر إلى طيف الهيدروجين، لا نرى أي خط عند هذا الطول الموجي أو بالقرب منه. وهذا يخبرنا أن طيفي الانبعاث غير متطابقين. وبذلك لا يمكن أن يكون الغاز المجهول هيدروجين. بعد ذلك، إذا نظرنا إلى الهليوم، فإننا نلاحظ أن هذا الغاز أيضًا لا يوجد له خط انبعاث عند ‪422‬‏ نانومترًا أو بالقرب من ذلك. بعبارة أخرى، إذا أسقطنا هذا الطول الموجي لخط الانبعاث على طيف الهليوم، فسنرى أن الهليوم ليس له خط انبعاث عند هذا الطول الموجي. وهذا يعني أن الغاز المجهول ليس هليوم أيضًا.

وأخيرًا، ننظر إلى الأكسجين. في هذه الحالة، نلاحظ أن لدينا خط انبعاث مطابقًا عند هذا الطول الموجي. هذه علامة مشجعة. لننظر إلى خط انبعاث آخر في الغاز المجهول. هذا الخط هنا، عند ‪437‬‏ نانومترًا تقريبًا، يقابل أيضًا خط انبعاث في طيف الأكسجين. وإذا واصلنا النظر إلى خطوط الانبعاث الأخرى، فسنلاحظ وجود تطابق بين هذين الطيفين. وينطبق الأمر نفسه، كما نرى، حتى نهاية الطيف المرئي. إذن، فقد وجدنا تطابقًا مع طيف الغاز المجهول، وهذا التطابق يشير إلى أن الغاز المجهول هو الأكسجين.

لنلخص الآن ما تعلمناه عن أطياف الانبعاث والامتصاص. في هذا الدرس، رأينا أن جميع العناصر لها أطياف انبعاث وامتصاص فريدة. وتعلمنا أن أطياف الانبعاث تكون مظلمة في معظم الأطوال الموجية، مع ظهور خطوط الانبعاث في صورة حزم ملونة تمثل الأطوال الموجية للضوء الناتجة عن عنصر معين. أما أطياف الامتصاص، فتظهر عادة معظم ألوان الضوء المرئي، مع وجود بعض الحزم المظلمة التي تمثل خطوط الامتصاص.

كما عرفنا أن الأطوال الموجية المحددة، التي تظهر عندها خطوط الانبعاث والامتصاص، تعتمد على مستويات طاقة الذرات التي تكون أطياف الانبعاث والامتصاص. وأخيرًا تعلمنا أن اتساع الخطوط الطيفية يتغير بناء على طول الفترة التي تظل فيها الإلكترونات في حالة مثارة، ضمن عوامل أخرى. هذا ملخص ما تعلمناه عن أطياف الانبعاث والامتصاص.