رشتهٔ لیمان: پنجرهای به دنیای نامرئی فرابنفش
طیف نور: اثرانگشت مواد
اگر نور خورشید را از یک منشور عبور دهیم، رنگینکمان زیبایی از رنگها حاصل میشود. این نوار رنگی پیوسته را طیف پیوسته مینامند. اما اگر به جای نور خورشید، نور گازی مثل نئون داخل لامپهای نئون را بررسی کنیم، تصویری کاملاً متفاوت میبینیم: چندین خط نورانی رنگین و درخشان روی زمینهای تاریک. این خطوط منفرد، طیف گسیلی5 خطی هستند و مانند اثرانگشت منحصربهفرد برای هر عنصر شیمیایی عمل میکنند.
هر خط رنگی، مربوط به یک طول موج یا رنگ خاص از نور است. علت ایجاد این خطوط، رفتار عجیب الکترونها در اتمهاست. الکترونها نمیتوانند هر مقدار انرژیای داشته باشند، بلکه فقط میتوانند در سطحهای انرژی6 گسسته و معینی به دور هسته بچرخند. هرچه الکترون از هسته دورتر باشد، انرژی بیشتری دارد.
| نوع طیف | منشأ تولید | مشخصات ظاهری | مثال |
|---|---|---|---|
| طیف پیوسته | اجسام داغ و جامد یا مایعات چگال | نوار پیوستهای از همه رنگها (از بنفش تا قرمز) | رشتهسیم داغ داخل لامپ، خورشید |
| طیف گسیلی خطی | گازهای رقیق و برانگیخته | خطوط نورانی رنگین روی زمینه تاریک | لامپ نئون، بخار سدیم |
| طیف جذبی خطی7 | عبور نور پیوسته از یک گاز سرد | خطوط تاریک روی نوار رنگی پیوسته | طیف خورشید (خطوط فراونهوفر8) |
اتم هیدروژن و مدل بور: قوانین حاکم بر الکترونها
برای درک رشتهٔ لیمان، باید سادهترین اتم یعنی هیدروژن را بررسی کنیم. (H) هیدروژن یک پروتون در هسته و یک الکترون دارد. نیلز بور3 فیزیکدان دانمارکی، مدلی ارائه داد که چگونگی گسیل نور توسط این اتم را توضیح میداد. در این مدل:
1. الکترون فقط میتواند در مدارهای دایرهای خاصی به دور هسته بچرخد. به هر مدار یک عدد صحیح مثبت نسبت میدهند: $n=1, 2, 3, ...$. به $n=1$حالت پایه9 (کمترین انرژی) و به بقیه حالتهای برانگیخته10 میگویند.
2. هنگامی که الکترون از یک مدار با انرژی بالاتر ($n_{\text{بالا}}$) به مداری با انرژی پایینتر ($n_{\text{پایین}}$) میجهد، اختلاف انرژی این دو سطح به صورت یک فوتون (ذرهٔ نور) با طول موج خاصی آزاد میشود. این فرآیند باعث ایجاد یک خط نشری در طیف میشود. عکس این فرآیند نیز رخ میدهد: اگر فوتونی با انرژی دقیقاً برابر اختلاف دو سطح به اتم برخورد کند، الکترون را برانگیخته میکند و آن فوتون جذب میشود (طیف جذبی).
• $\lambda$: طول موج فوتون بر حسب متر
• $R_H$: ثابت ریدبرگ برای هیدروژن (مقدار تقریبی $1.097 \times 10^7 \, \text{m}^{-1}$)
• $n_{\text{پایین}}$ و $n_{\text{بالا}}$: اعداد صحیح و مثبت، به طوری که $n_{\text{بالا}} > n_{\text{پایین}}$.
رشته لیمان: خانوادهای در ناحیه فرابنفش
حالا میتوانیم رشتهٔ لیمان را دقیق تعریف کنیم. تئودور لیمان1 فیزیکدان آمریکایی، مجموعهای از خطوط طیفی هیدروژن را کشف کرد که زمانی به وجود میآیند که الکترون از یک سطح انرژی بالاتر ($n_{\text{بالا}} = 2, 3, 4, ...$) به سطح انرژی اول ($n_{\text{پایین}} = 1$) سقوط کند.
اگر این شرط را در فرمول ریدبرگ قرار دهیم، فرمول ویژهٔ رشته لیمان به دست میآید:
$\frac{1}{\lambda} = R_H \left( 1 - \frac{1}{n^2} \right) \quad , \quad n = 2, 3, 4, ...$
چون اختلاف انرژی بین سطح اول و سطوح بالاتر بسیار زیاد است، فوتونهای گسیلشده انرژی بسیار بالایی دارند. انرژی بالا در طیف الکترومغناطیس معادل طول موج کوتاه است. محاسبات نشان میدهد که تمامی این طولموجها کمتر از ۱۲۲ نانومتر هستند که خارج از محدودهٔ دید انسان (400-700 nm) قرار دارد و در ناحیهٔ فرابنفش2 طیف هستند. به همین دلیل ما این خطوط را با چشم غیرمسلح در آزمایشگاه نمیبینیم و برای تشخیص آنها به ابزارهای ویژه مثل طیفسنجهای فرابنفش نیاز داریم.
| نام خط | انتقال الکترون (از $n$) | طول موج (نانومتر) (محاسبه شده) |
ناحیه طیفی |
|---|---|---|---|
| لیمان-آلفا (Ly-\alpha) | $2 \rightarrow 1$ | 121.6 | فرابنفش دور |
| لیمان-بتا (Ly-\beta) | $3 \rightarrow 1$ | 102.6 | فرابنفش دور |
| لیمان-گاما (Ly-\gamma) | $4 \rightarrow 1$ | 97.3 | فرابنفش دور |
| لیمان-دلتا (Ly-\delta) | $5 \rightarrow 1$ | 95.0 | فرابنفش دور |
| حد سری (Ly-\infty) | $\infty \rightarrow 1$ | 91.2 | مرز مجموعه |
کشف اسرار کیهان با نور فرابنفش لیمان
شاید بپرسید اگر این خطوط را با چشم نمیبینیم، مطالعهٔ آنها چه فایدهای دارد؟ پاسخ در اخترفیزیک4 و کیهانشناسی نهفته است. رشته لیمان یک ابزار قدرتمند برای ستارهشناسان است:
• شناسایی و مطالعه هیدروژن در فضا: هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است. با تشخیص خط Ly-\alpha در نور ستارگان داغ یا سحابیها13، اخترشناسان میتوانند وجود، دما و تراکم هیدروژن را در آن ناحیه بررسی کنند.
• تشخیص انتقال به سرخ14 کهکشانهای دور: بر اثر انبساط جهان، نور اجرام دور دست به سمت طولموجهای بلندتر (قرمز) جابجا میشود. خط قوی Ly-\alpha که در حالت عادی در فرابنفش است، ممکن است به دلیل این پدیده تا حد نور مرئی یا حتی فروسرخ جابجا شود. با اندازهگیری این جابجایی، میتوان فاصلهٔ کهکشانها را محاسبه کرد. بسیاری از کهکشانهای بسیار دور (z > 6) دقیقاً به خاطر شناسایی خط جابجاشدهٔ Ly-\alpha کشف شدهاند.
• بررسی محیطهای ستارهزا: ستارههای جوان و بسیار داغ، مقدار زیادی تابش فرابنفش از جمله تابش لیمان گسیل میکنند که بر محیط اطراف (ابرهای گاز و غبار) اثر میگذارد و میتواند فرآیندهای شکلگیری ستارههای جدید را تحت تأثیر قرار دهد.
مثال: تصور کنید یک کهکشان جدید کشف شده که خط طیفی درخشانی در طول موج 650 nm (ناحیه قرمز مرئی) دارد. اگر اخترشناسان تشخیص دهند که این خط در واقع همان خط Ly-\alpha است که از 121.6 nm جابجا شده، میتوانند با استفاده از فرمول انتقال به سرخ، محاسبه کنند که این کهکشان با چه سرعتی در حال دور شدن از ماست و تقریباً چقدر از ما فاصله دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
رشتهٔ لیمان، مجموعهای منحصربهفرد از خطوط طیفی اتم هیدروژن است که در ناحیه فرابنفش قرار دارد و از سقوط الکترون به پایهترین سطح انرژی این اتم ناشی میشود. درک این مفهوم، که ریشه در مدل ساده اما انقلابی بور دارد، نه تنها در فیزیک اتمی، بلکه کلیدی برای رمزگشایی از کیهان است. از شناسایی ترکیب ستارگان داغ و سحابیها تا اندازهگیری فاصلهٔ دورترین کهکشانها، نور نامرئی لیمان به یکی از مهمترین پیامرسانهای اطلاعات از اعماق فضا تبدیل شده است. این کشف نشان میدهد که برای فهم جهان، گاهی باید به آنچه مستقیماً نمیبینیم، نگاه کنیم.
پاورقی
1لیمان (Lyman Series): Theodore Lyman - مجموعه خطوط طیفی هیدروژن در ناحیه فرابنفش.
2فرابنفش (Ultraviolet - UV): بخشی از طیف الکترومغناطیس با طول موج کوتاهتر از نور مرئی و بلندتر از پرتو ایکس.
3مدل بور (Bohr Model): مدلی برای اتم که الکترونها در مدارهای گسسته به دور هسته میچرخند. توسط نیلز بور ارائه شد.
4اخترفیزیک (Astrophysics): شاخهای از علم که اصول فیزیک و شیمی را برای توضیح پدیدههای نجومی به کار میبرد.
5طیف گسیلی (Emission Spectrum): طیفی متشکل از خطوط رنگین روشن روی زمینه تاریک که از گسیل نور از اتمها و مولکولهای برانگیخته حاصل میشود.
6سطح انرژی (Energy Level): حالتهای کوانتومی گسستهای که یک سامانه فیزیکی (مانند الکترون در اتم) میتواند داشته باشد.
7طیف جذبی (Absorption Spectrum): طیفی متشکل از خطوط تاریک روی یک نوار رنگی پیوسته که از جذب طولموجهای خاص توسط ماده ایجاد میشود.
8خطوط فراونهوفر (Fraunhofer Lines): خطوط تاریک موجود در طیف نور خورشید که ناشی از جذب توسط عناصر موجود در جو خورشید است.
9حالت پایه (Ground State): حالتی که الکترون در پایهترین سطح انرژی ممکن قرار دارد.
10حالت برانگیخته (Excited State): هر حالتی از اتم که انرژی آن بالاتر از حالت پایه باشد.
11بالمر (Balmer): Johann Balmer - فرمولنویس رشته طیفی مرئی هیدروژن (رشته بالمر).
12ریدبرگ (Rydberg): Johannes Rydberg - فیزیکدانی که فرمول عمومی برای طیف هیدروژن را ارائه داد.
13سحابی (Nebula): ابر عظیمی از گاز و غبار در فضای بینستارهای.
14انتقال به سرخ (Redshift): پدیدهای که در آن نور گسیلشده از یک جرم در حال دور شدن، به سمت طولموجهای بلندتر (سرخ) جابجا میشود.
15هلیوم یونشده (He⁺): اتم هلیومی که یک الکترون خود را از دست داده و فقط یک الکترون دارد، مشابه هیدروژن.
