طیف خطی: ردپای نورانی اتمها
طیف نور چیست و چطور آن را میبینیم؟
نور سفید، مانند نور خورشید، در واقع ترکیبی از همهٔ رنگها است. وقتی این نور از یک منشور شیشهای یا قطرات باران عبور میکند، بسته به طول موج6 خود خم میشود. رنگ آبی (با طول موج کوتاهتر) بیشتر از رنگ قرمز (با طول موج بلندتر) خمیده میشود. به این ترتیب، نوار پیوسته و رنگارنگی از قرمز تا بنفش ایجاد میشود که به آن طیف پیوسته7 میگویند. اما گاهی به جای این نوار پیوسته، تنها چند خط نوری باریک و روشن با رنگهای خاص میبینیم. این، همان طیف خطی است.
یک آزمایش ساده: اگر نمک طعام (سدیم کلرید) را روی شعلهٔ آتش بپاشید، شعله به رنگ زرد درخشان میشود. اگر نور این شعله را از یک منشور عبور دهید، به جای رنگینکمان کامل، تنها یک یا دو خط زرد رنگ بسیار مشخص خواهید دید. این خطوط، طیف خطی عنصر سدیم هستند.
چرا خطوط مجزا به وجود میآیند؟ داستان الکترونهای پرانرژی
برای درک علت ایجاد این خطوط، باید سری به دنیای بسیار کوچک اتمها بزنیم. در مدل سادهشدهٔ اتم، الکترونها به دور هسته در مدارهای خاصی با سطوح انرژی معین میچرخند.
وقتی به اتم انرژی میدهیم (مثلاً با حرارت یا جریان الکتریکی)، الکترون از مدار پایه (با انرژی کمتر) به مداری دورتر با انرژی بالاتر میجهد. این حالت را برانگیختگی9 مینامند. اما این وضعیت ناپایدار است. الکترون خیلی سریع (در کسری از ثانیه) به مدار پایهٔ خود برمیگردد و انرژی اضافی خود را به صورت یک فوتون10 یا ذرهٔ نور آزاد میکند. انرژی این فوتون دقیقاً برابر است با تفاوت انرژی بین آن دو مدار.
از آنجایی که اختلاف انرژی بین مدارهای یک اتم خاص، مقادیر ثابت و معینی هستند، انرژی (و در نتیجه رنگ یا طول موج) فوتونهای تابش شده نیز کاملاً مشخص است. به همین دلیل است که به جای یک نوار پیوسته، خطوط نوری مجزا و با فاصله مشاهده میشود.
| نوع طیف | چگونه ایجاد میشود؟ | ظاهر | مثال |
|---|---|---|---|
| طیف خطی نشری4 | اتمهای برانگیخته، نور ساطع میکنند. | خطوط روشن بر روی زمینهٔ تاریک | نور لامپ نئون، شعلهٔ نمک طعام |
| طیف خطی جذبی5 | نور پیوسته از یک محیط سردتر (مثل گاز) عبور میکند. | خطوط تاریک بر روی رنگینکمان روشن | طیف خورشید (خطوط فرانهوفر11) |
| طیف پیوسته7 | اجسام جامد یا مایع داغ یا گازهای فشرده میدرخشند. | نوار پیوسته و بدون شکاف از رنگها | رشتهٔ داغ لامپ معمولی، آهن مذاب |
ریاضیات پشت صحنه: رابطهٔ بور و رنگ نور
نیلز بور12، فیزیکدان دانمارکی، رابطهای ریاضی بین خطوط طیفی اتم هیدروژن (سادهترین اتم) ارائه داد. انرژی فوتون ساطع شده از انتقال الکترون بین دو سطح با اعداد $n_1$ و $n_2$ از رابطه زیر به دست میآید:
که در آن:
$\Delta E$ انرژی فوتون، $R_H$ ثابت ریدبرگ13 برای هیدروژن (2.18 × 10-18 J) و $n_1$ و $n_2$ اعداد صحیح مربوط به سطوح انرژی هستند ($n_2 > n_1$).
مثلاً مجموعه خطوط بالمر14 که در ناحیه مرئی هستند، زمانی ایجاد میشوند که الکترون به سطح $n=2$ بازمیگردد ($n_1=2$). خط قرمز معروف هیدروژن مربوط به انتقال از $n=3$ به $n=2$ است.
کاربردهای شگفتانگیز: از کشف عناصر در ستارگان تا تشخیص جرمقَتْل
طیف خطی تنها یک مفهوم زیبا در کتابهای درسی نیست؛ بلکه یک ابزار علمی قدرتمند است.
ستارهشناسی و کشف ناشناختهها: تقریباً هرچه دربارهٔ ترکیب ستارگان، سیارات و کهکشانهای دوردست میدانیم، از تحلیل طیف نور آنها به دست آمده است. نور ستاره پس از عبور از جو ستاره و فضا، خطوط جذبی عناصر موجود را نشان میدهد. به این ترتیب، عنصر هلیوم15 ابتدا در طیف خورشید کشف شد و سالها بعد روی زمین یافت شد. همچنین، با مطالعهٔ جابجایی این خطوط به سمت قرمز (انتقال به سرخ16)، سرعت حرکت کهکشانها و انبساط کیهان اندازهگیری میشود.
شیمی تجزیه (طیفسنجی17): از آنجایی که الگوی خطوط هر عنصر مانند اثرانگشت منحصر به فرد است، میتوان برای شناسایی عناصر در یک نمونهٔ ناشناخته از آن استفاده کرد. این روش حتی برای تشخیص مقادیر بسیار ناچیز یک ماده نیز کارآمد است و در علوم پزشکی، criminalistics (علوم جنایی) و کنترل کیفیت صنایع به کار میرود.
لامپها و لیزرها: لامپ مهتابی (فلورسنت) یا لامپهای نئون داخل تابلوهای تبلیغاتی، با استفاده از تابش خطی گازهای داخل خود کار میکنند. لیزر نیز نمونهای پیشرفته است که نور بسیار خالص و تکرنگی تولید میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، طیف خطی مشخصهٔ اتمهای گازی و جدا از هم است. در جامدات یا مایعات داغ، اتمها آنقدر به هم نزدیکند که سطوح انرژی آنها تحت تأثیر اتمهای همسایه گسترده میشود و عملاً همهٔ تفاوتهای انرژی ممکن میشود. در نتیجه، تمام طولموجها (رنگها) تابش میشوند و طیف پیوسته ایجاد میگردد.
پاسخ: زیرا فوتونهایی که انرژی دقیقاً برابر با تفاوت سطوح انرژی اتمهای گاز سرد در جو خورشید دارند، توسط همان اتمها جذب میشوند تا الکترون را برانگیخته کنند. بنابراین، آن رنگهای خاص از نور پیوستهٔ زمینه حذف شده و به صورت خط تاریک ظاهر میشوند. پس هر خط تاریک، نشاندهندهٔ حضور همان عنصری است که در حالت نشری خط روشن ایجاد میکرد.
پاسخ: بله، ابزارهای طیفسنج17 پیشرفته (طیفسنج) دارای قدرت تفکیک بالایی هستند و میتوانند کوچکترین تفاوت در طولموج خطوط را تشخیص دهند. الگوی کلی خطوط (تعداد، فاصله و شدت نسبی آنها) نیز برای هر عنصر منحصر به فرد است و مانند یک امضا عمل میکند که امکان تشخیص را فراهم میکند.
پاورقی
1 طیف خطی (Line Spectrum): طیفی متشکل از خطوط مجزا و روشن (یا تاریک) در طولموجهای خاص.
2 مدل بور (Bohr Model): مدل اتمی که الکترونها در مدارهای دایرهای مشخص به دور هسته میچرخند و انرژی آنها کوانتیده است.
3 انتقال انرژی الکترونها (Electron Transitions): جهش الکترون بین سطوح انرژی مختلف در یک اتم.
4 طیف نشری (Emission Spectrum): طیفی که از تابش نور توسط یک منبع برانگیخته حاصل میشود.
5 طیف جذبی (Absorption Spectrum): طیفی که از حذف طولموجهای خاصی از نور پیوسته پس از عبور از یک ماده ایجاد میشود.
6 طول موج (Wavelength): فاصله بین دو قله متوالی یک موج، که معیاری برای رنگ نور است.
7 طیف پیوسته (Continuous Spectrum): طیفی که شامل نوار پیوستهای از همهٔ رنگها بدون شکاف است.
8 کوانتیده (Quantized): دارای مقادیر مجزا و گسسته، نه پیوسته.
9 برانگیختگی (Excitation): فرآیندی که در آن الکترون با جذب انرژی به سطح انرژی بالاتری میرود.
10 فوتون (Photon): ذرهٔ حامل انرژی نور، بستهای گسسته از انرژی تابش الکترومغناطیسی.
11 خطوط فرانهوفر (Fraunhofer Lines): خطوط تاریک موجود در طیف نور خورشید که ناشی از جذب توسط عناصر موجود در جو خورشید هستند.
12 نیلز بور (Niels Bohr): فیزیکدان دانمارکی (۱۸۸۵-۱۹۶۲) که مدل کوانتومی اتم را ارائه داد.
13 ثابت ریدبرگ (Rydberg Constant): ثابت فیزیکی که در فرمول محاسبه طولموج خطوط طیفی اتم هیدروژن ظاهر میشود.
14 سری بالمر (Balmer Series): مجموعه خطوط طیفی هیدروژن در ناحیه مرئی، مربوط به انتقال الکترون به سطح انرژی $n=2$.
15 هلیوم (Helium): عنصر شیمیایی با نماد He و عدد اتمی ۲، که ابتدا در طیف خورشید شناسایی شد.
16 انتقال به سرخ (Redshift): پدیدهای که در آن طولموج نور دریافتی از یک جسم دورشونده افزایش (به سمت رنگ قرمز) مییابد.
17 طیفسنجی (Spectroscopy): شاخهای از علم که به مطالعهٔ برهمکنش بین ماده و تابش الکترومغناطیسی میپردازد.
