طیف گسیلی(Emission Spectrum): دنیای رنگارنگ نورهای اتمی
نور سفید، نور خالص و تولد طیفنمایی
نور سفیدِ خورشید یا لامپ رشتهای، نوری مرکب است. ایزاک نیوتن در قرن هفدهم با عبور نور سفید از یک منشور شیشهای نشان داد که این نور به رنگهای رنگینکمان تجزیه میشود. این نوار پیوستهی رنگی، یک طیف پیوسته۱ است که شامل تمام طولموجهای مرئی میشود. اما اگر به جای نور سفید، نور گسیلشده از بخارات داغ یک عنصر خاص را بررسی کنیم، با صحنهای کاملاً متفاوت روبرو میشویم: به جای نوار پیوسته، مجموعهای از خطوط نوری روشن و مجزا در زمینهای تاریک ظاهر میشوند. این الگو، طیف گسیلی خطی نام دارد.
ساختار اتم و راز خطوط نوری: مدل بور
اما چرا اتمهای هر عنصر، چنین الگوی خطی منحصر به فردی تولید میکنند؟ پاسخ در ساختار درونی اتم نهفته است. بر اساس مدل نیلز بور، الکترونها نمیتوانند هر مسیری به دور هسته داشته باشند، بلکه فقط مجاز به چرخش در ترازهای انرژی کوانتیده۳ خاصی هستند. هر تراز، انرژی مشخصی دارد.
- وقتی به یک اتم انرژی میدهیم (برانگیختگی)، مثلاً با حرارت یا جریان الکتریکی، الکترون آن از تراز پایه (کمترین انرژی) به ترازی با انرژی بالاتر میجهد.
- این حالت برانگیخته، ناپایدار است. الکترون خیلی زود (در کسری از ثانیه) به تراز پایینتر و پایدارتر برمیگردد.
- در این بازگشت، الکترون باید انرژی اضافی خود را آزاد کند. این انرژی به صورت یک فوتون (ذرهی نور) با طولموج و رنگ کاملاً مشخص گسیل میشود.
تفاوت انرژی بین دو تراز $E_2 - E_1$ دقیقاً برابر با انرژی فوتون گسیلشده $E_{photon} = h \nu$ است. در این فرمول، $h$ ثابت پلانک و $\nu$ بسامد نور است. از آنجایی که ترازهای انرژی در هر اتم منحصر به فردند، اختلاف انرژی بین آنها و در نتیجه رنگ (طولموج) نورهای گسیلشده نیز برای هر عنصر، مختص خود آن است.
| نوع طیف | منبع تولید | ویژگی ظاهری | مثال |
|---|---|---|---|
| طیف گسیلی خطی | گازها یا بخارات داغ و رقیق عناصر | خطوط روشن و مجزا روی زمینهی تاریک | نور لامپ نئون، شعلهی نمک سدیم |
| طیف پیوسته | اجسام جامد، مایع یا گازهای چگال و داغ | نوار پیوستهای از همه رنگها (رنگینکمان) | رشتهی داغ لامپ، خورشید |
| طیف جذبی خطی۴ | عبور نور پیوسته از یک گاز سرد | خطوط تاریک روی زمینهی رنگینکمانی | طیف خورشید (خطوط فرانهوفر۵) |
طیف گسیلی در خدمت علم: از آزمایشگاه تا قلب ستارگان
شناسایی این «اثرانگشت نوری»، کاربردهای شگفتانگیزی دارد:
- شناسایی عناصر ناشناخته: شیمیدانان و فیزیکدانان میتوانند با بررسی نور گسیلشده از یک نمونهی ناشناخته و مقایسهی خطوط طیف آن با طیفهای شناختهشده، عناصر موجود در آن را دقیقاً تشخیص دهند. این روش حتی منجر به کشف عناصر جدیدی مانند سزیوم و روبیدیم شد.
- طیفنمایی نجومی: این قدرتمندترین ابزار اخترشناسان است. آنها نور رسیده از ستارگان و کهکشانهای دوردست را توسط تلسکوپ به یک طیفنما میفرستند. با تحلیل خطوط طیف گسیلی (یا جذبی) آن نور، میتوانند نه تنها عناصر سازندهی آن ستاره را مشخص کنند، بلکه دمای آن، سرعت حرکتش به سوی ما یا دور از ما (اثر دوپلر) و حتی میدان مغناطیسیاش را اندازهگیری کنند.
- لامپهای تخلیه گازی: لامپ نئون، لامپهای بخار سدیم (نور زرد روشنایی خیابانها) و لامپهای فلورسنت، همگی بر اساس پدیدهی گسیل نور از گازهای برانگیخته کار میکنند و رنگ نورشان مستقیماً به طیف گسیلی عنصر درون لامپ بستگی دارد.
خوانش بارکد کیهانی: مثال عینی در ستارهشناسی
فرض کنید اخترشناسان نور یک ستارهی دوردست را دریافت و طیف آن را رسم میکنند. آنها در طیف این ستاره، مجموعهای از خطوط روشن در موقعیتهای طولموج مشخص میبینند. با مقایسهی این خطوط با بانک اطلاعاتی طیف عناصر، متوجه میشوند که این خطوط دقیقاً با خطوط طیف گسیلی عنصر هیدروژن (بهویژه سری بالمر۶) و هلیوم منطبق است. نتیجه میگیرند که این ستاره عمدتاً از این دو عنصر ساخته شده است. اگر جای این خطوط اندکی به سمت طولموجهای بلندتر (سرخ) جابهجا شده باشد، میفهمند ستاره در حال دور شدن از ماست. به این ترتیب، یک طیف ساده، حکم یک کارنامهی جامع از وضعیت ستاره را دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. بسیاری از خطوط طیفی عناصر در ناحیهای از طیف الکترومغناطیسی قرار دارند که برای چشم انسان نامرئی است، مانند فرابنفش (UV) یا فروسرخ (IR). دستگاههای طیفنما میتوانند این نواحی را نیز ثبت و تحلیل کنند. آنچه ما با چشم میبینیم (مثل نور زرد سدیم یا قرمز نئون)، تنها بخش کوچک و مرئی از کل داستان است.
پاسخ: در لامپ رشتهای، مادهی داغ یک جامد (رشتهی تنگستن) است. در جامدات، اتمها بسیار به هم نزدیکند و ترازهای انرژی آنها تحت تأثیر اتمهای مجاور، به هم میپیوندند و نوارهای پیوستهای از سطوح انرژی را تشکیل میدهند. در نتیجه، اختلاف انرژیهای ممکن بین این نوارها بسیار زیاد و متنوع است و نور گسیلشده شامل تقریباً تمام طولموجها میشود که طیفی پیوسته ایجاد میکند. طیف خطی خاص گازهای رقیق و مجزاست.
پاسخ: در طیف گسیلی، خود منبع نور (گاز برانگیخته) است که نورهای رنگی مشخصی را تولید و گسیل میکند. الگو: خطوط روشن روی زمینه تاریک. در طیف جذبی، یک منبع نور پیوسته (مثل نور ستاره) از درون یک گاز سرد عبور داده میشود. اتمهای گاز سرد، دقیقاً همان طولموجهایی را که خودشان میتوانند بگسیلند، جذب میکنند. بنابراین در طیف نهایی، به جای آن طولموجها خطوط تاریک ظاهر میشود. الگو: خطوط تاریک روی زمینه رنگینکمانی. هر دو الگو اطلاعات یکسانی دربارهی عناصر به ما میدهند.
پاورقی
۱طیف پیوسته (Continuous Spectrum): طیفی که در آن نور با تمام طولموجها در یک محدوده به صورت پیوسته وجود دارد.
۲طیفنما (Spectroscope): دستگاهی برای مشاهده و اندازهگیری طیف نور.
۳ترازهای انرژی کوانتیده (Quantized Energy Levels): سطوح انرژی مجاز و گسستهای که الکترونها در اتم میتوانند داشته باشند.
۴طیف جذبی خطی (Absorption Line Spectrum): الگویی از خطوط تاریک در مکانهای مشخص روی یک طیف پیوسته، ناشی از جذب طولموجهای خاص توسط یک ماده.
۵خطوط فرانهوفر (Fraunhofer Lines): خطوط تاریک در طیف پیوستهی خورشید که ناشی از جذب نور توسط عناصر موجود در لایههای سردتر جو خورشید است.
۶سری بالمر (Balmer Series): مجموعهای از خطوط طیفی اتم هیدروژن در ناحیهی مرئی و نزدیک به فرابنفش، مربوط به انتقالهای الکترونی به تراز انرژی شماره 2.
