طیف جذبی: راز خطوط تاریک در نور رنگینکمان
نور و رنگینکمان: از نور سفید تا طیف پیوسته
نور سفید، مانند نور خورشید یا نور یک لامپ رشتهای، ترکیبی از تمام رنگها است. اگر این نور را از یک منشور یا یک توری پراش2 عبور دهیم، رنگهای تشکیلدهندهاش از هم جدا میشوند و یک نوار رنگارنگ پیوسته میسازند که به آن طیف پیوسته3 میگوییم. این طیف از قرمز (با بلندترین طول موج) شروع میشود و پس از عبور از نارنجی، زرد، سبز، آبی و نیلی به بنفش (با کوتاهترین طول موج) ختم میشود. هر رنگ با یک طول موج4 خاص تعریف میشود که واحد اندازهگیری آن نانومتر (nm) یا آنگستروم (Å) است.
اتمها چگونه نور را جذب میکنند؟
اتمها از یک هسته و الکترونهایی تشکیل شدهاند که در مدارها یا سطوح انرژی مشخصی به دور آن میچرخند. هر سطح انرژی عدد مشخصی دارد. قاعده اصلی این است: یک الکترون فقط میتواند مقادیر کاملاً مشخصی از انرژی را دریافت یا از دست بدهد.
وقتی یک فوتون نور (بسته انرژی) به یک اتم برخورد میکند، اگر انرژی فوتون دقیقاً برابر با تفاوت انرژی بین دو سطح الکترون باشد، فوتون جذب میشود و الکترون از سطح پایینتر به سطح بالاتر میپرد. از آنجایی که انرژی فوتون با طول موج آن رابطه مستقیم دارد، این یعنی اتم فقط طول موجهای کاملاً مشخصی را جذب میکند.
مثال: فرض کنید تفاوت انرژی بین دو سطح یک اتم هیدروژن معادل انرژی یک فوتون نور قرمز با طول موج 656 nm است. اگر نور سفید حاوی این رنگ قرمز خاص از میان گاز هیدروژن عبور کند، اتمهای هیدروژن فوتونهای این رنگ را جذب میکنند. در نتیجه، وقتی نور خارج شده را با منشور تجزیه کنیم، در جایگاه دقیق رنگ قرمز 656 nm، یک خط تاریک مشاهده خواهیم کرد.
| نوع طیف | چگونگی تشکیل | نمایش بصری | مثال |
|---|---|---|---|
| طیف پیوسته | تجزیه نور سفید جسم داغ و فشرده (مانند رشته لامپ یا خورشید) | نوار رنگارنگ پیوسته از قرمز تا بنفش | رنگینکمان |
| طیف گسیلی5 | گرم کردن یک گاز رقیق یا بخار فلز | خطوط روشن و رنگی در زمینه تاریک | نور لامپ نئون، نورنمای آتش بازی |
| طیف جذبی | عبور نور سفید پیوسته از درون یک گاز یا ماده سردتر | خطوط تاریک در جایگاههای خاص روی زمینه رنگینکمانی پیوسته | طیف خورشید (خطوط فرانهوفر6) |
داستان کشف: از خورشید تا آزمایشگاه
اولین بار در سال 1814، فیزیکدان آلمانی، یوزف فون فرانهوفر، هنگام مشاهده طیف خورشید متوجه صدها خط تاریک ریز در آن شد. او این خطوط را با حروف الفبا نامگذاری کرد (مانند خطوط D, H, K). سالها بعد، گوستاو کیرشهف و رابرت بونزن در آزمایشگاه نشان دادند که خط تاریک D در طیف خورشید، دقیقاً با طول موج نور زردی که بخار سدیم در طیف گسیلی خود تولید میکند، همخوانی دارد. این کشف ثابت کرد که در اتمسفر خورشید، سدیم وجود دارد! بدین ترتیب، طیفسنجی اخترفیزیک متولد شد.
طیف جذبی در خدمت بشر: از ستارهشناسی تا پزشکی
امروزه تحلیل طیف جذبی، یک روش قدرتمند شناسایی مواد است. هر عنصر و هر مولکول، مجموعهای منحصربهفرد از خطوط جذبی دارد که مانند بارکد یا اثر انگشت آن است.
- اخترفیزیک: با تحلیل خطوط تاریک در نور ستارگان و کهکشانهای دوردست، دانشمندان میتوانند عناصر تشکیلدهنده، دما، چگالی، سرعت حرکت و حتی میدان مغناطیسی آنها را تعیین کنند.
- شیمی تجزیه: برای شناسایی فلزات در یک نمونه آلی یا معدنی. نمونه را حرارت میدهند تا به حالت گاز درآید، سپس نور سفید از آن عبور داده میشود و خطوط جذبی آنالیز میشوند.
- علوم جوی: برای اندازهگیری آلایندهها و گازهای گلخانهای مانند دیاکسیدکربن(CO2) و اوزون در جو زمین. نور خورشید پس از عبور از جو، خطوط جذبی این گازها را نشان میدهد.
- پزشکی و زیستشناسی: در برخی دستگاههای آزمایش خون، از جذب نور در طول موجهای خاص برای اندازهگیری غلظت مواد مانند هموگلوبین استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
بله، دقیقاً. یک عنصر خاص، در شرایط گسیل (مثلاً وقتی گرم و برانگیخته شود)، دقیقاً در همان طولموجهایی نور ساطع میکند که در شرایط جذب (وقتی نور سفید از آن عبور کند)، جذب میکند. بنابراین، الگوی خطوط (بارکد) یکسان است، فقط نمایش آن معکوس است: خطوط روشن روی زمینه تاریک در مقابل خطوط تاریک روی زمینه رنگینکمانی.
خطوط باریک مربوط به جذب توسط اتمهای منفرد و مجزا است. اما اگر ماده مورد نظر مولکول باشد (مانند آب (H2O) یا دیاکسیدکربن)، ارتعاش و چرخش مولکولها باعث میشود جذب در یک محدوده از طولموجها رخ دهد که به شکل یک نوار پهن تاریک در طیف ظاهر میشود.
به طور معمول خیر. برای دیدن و تحلیل این خطوط به دستگاهی به نام طیفسنج7 نیاز داریم که نور را با دقت بسیار بالا به اجزای تشکیلدهندهاش تفکیک میکند. با این حال، یک آزمایش ساده وجود دارد: اگر از یک شیشه رنگی (مثلاً قرمز) نگاه کنید، در واقع آن شیشه، رنگهای دیگر (غیرقرمز) طیف نور سفید را جذب کرده و فقط نور قرمز را عبور داده است. این یک نمونه ساده و گسترده از جذب انتخابی نور است.
پاورقی
1 طیف جذبی (Absorption Spectrum).
2 توری پراش (Diffraction Grating).
3 طیف پیوسته (Continuous Spectrum).
4 طول موج (Wavelength).
5 طیف گسیلی (Emission Spectrum).
6 خطوط فرانهوفر (Fraunhofer Lines).
7 طیفسنج (Spectrometer).
