طيف الانبعاث

طيف الانبعاث لعنصر كيميائي أو مركب كيميائي هو طيف ترددات الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث نتيجة انتقال الإلكترونات من حالة طاقة عالية إلى حالة طاقة منخفضة. طاقة الفوتون المنبعث تساوي فرق الطاقة بين الحالتين. توجد العديد من انتقالات الإلكترون الممكنة لكل ذرة، ولكل انتقال فرق طاقة محدد. تشكل هذه المجموعة من الانتقالات المختلفة، التي تؤدي إلى أطوال موجية إشعاعية مختلفة ، طيف الانبعاث. يتميز طيف انبعاث كل عنصر بفرادته. لذلك، يمكن استخدام التحليل الطيفي لتحديد العناصر في المواد ذات التركيب غير المعروف. وبالمثل، يمكن استخدام أطياف انبعاث الجزيئات في التحليل الكيميائي للمواد.

في الفيزياء ، الانبعاث هو العملية التي يتحول فيها جسيم من حالة طاقة كمومية عالية إلى حالة طاقة أقل عبر انبعاث فوتون، مما ينتج عنه ضوء . ويتناسب تردد الضوء المنبعث طرديًا مع طاقة هذا التحول.

بما أن الطاقة يجب أن تبقى محفوظة، فإن فرق الطاقة بين الحالتين يساوي الطاقة التي يحملها الفوتون. يمكن أن تؤدي حالات الطاقة للانتقالات إلى انبعاثات ضمن نطاق واسع جدًا من الترددات. على سبيل المثال، ينبعث الضوء المرئي من اقتران الحالات الإلكترونية في الذرات والجزيئات (وتُسمى هذه الظاهرة حينها بالتألق أو الفسفرة ). من ناحية أخرى، يمكن أن تُصدر انتقالات الغلاف النووي أشعة غاما عالية الطاقة ، بينما تُصدر انتقالات اللف المغزلي النووي موجات راديوية منخفضة الطاقة .

تُحدد خاصية الانبعاثية كمية الضوء المنبعث من الجسم. وقد ترتبط هذه الخاصية بخصائص أخرى للجسم من خلال قانون ستيفان-بولتزمان . بالنسبة لمعظم المواد، تتغير كمية الانبعاث بتغير درجة الحرارة والتركيب الطيفي للجسم، مما يؤدي إلى ظهور درجة حرارة اللون وخطوط الانبعاث . وتتيح القياسات الدقيقة عند أطوال موجية متعددة تحديد هوية المادة عبر مطيافية الانبعاث .

يُوصَف انبعاث الإشعاع عادةً باستخدام ميكانيكا الكم شبه الكلاسيكية: تُحدَّد مستويات طاقة الجسيمات والمسافات بينها من ميكانيكا الكم ، ويُعامَل الضوء كمجال كهربائي متذبذب قادر على إحداث انتقال إذا كان في حالة رنين مع التردد الطبيعي للنظام. تُعالَج مسألة ميكانيكا الكم باستخدام نظرية الاضطراب المعتمدة على الزمن، مما يؤدي إلى النتيجة العامة المعروفة باسم قاعدة فيرمي الذهبية . وقد حلّت الديناميكا الكهربائية الكمومية محل هذا الوصف ، على الرغم من أن النسخة شبه الكلاسيكية لا تزال أكثر فائدة في معظم الحسابات العملية.

عندما تُثار الإلكترونات في الذرة، مثلاً بتسخينها، تدفعها الطاقة الإضافية إلى مدارات ذات طاقة أعلى. وعندما تعود الإلكترونات إلى حالتها الأصلية وتغادر حالة الإثارة، تُعاد الطاقة على شكل فوتون. ويُحدد طول موجة الفوتون (أو تردده) بفرق الطاقة بين حالتي الإثارة والإثارة. وتشكل هذه الفوتونات المنبعثة طيف العنصر.

إن ظهور ألوان محددة فقط في طيف الانبعاث الذري لعنصر ما يعني انبعاث ترددات ضوئية محددة فقط. ويرتبط كل تردد من هذه الترددات بالطاقة وفقًا للمعادلة التالية: $${\displaystyle E_{\text{photon}}=h\nu ,}$$ أين${\displaystyle E_{\text{photon}}}$هي طاقة الفوتون،${\displaystyle \nu }$ترددها ، و${\displaystyle h}$هو ثابت بلانك . ويستنتج من ذلك أن الذرة لا تُصدر إلا الفوتونات ذات الطاقات المحددة. ويُفسر مبدأ طيف الانبعاث الذري الألوان المتنوعة في لافتات النيون ، بالإضافة إلى نتائج اختبار اللهب الكيميائي (الموصوفة أدناه).

تعتمد ترددات الضوء التي يمكن أن تصدرها الذرة على حالات الطاقة التي يمكن أن تتواجد فيها الإلكترونات. فعندما يكون الإلكترون في حالة إثارة، ينتقل إلى مستوى طاقة أو مدار أعلى. وعندما يعود الإلكترون إلى مستوى طاقته الأصلي، ينبعث الضوء.

تُظهر الصورة أعلاه طيف انبعاث الضوء المرئي للهيدروجين . في حال وجود ذرة هيدروجين واحدة فقط، فسيتم رصد طول موجي واحد فقط في لحظة معينة. يُلاحظ وجود عدة انبعاثات محتملة لأن العينة تحتوي على العديد من ذرات الهيدروجين التي تكون في حالات طاقة ابتدائية مختلفة وتصل إلى حالات طاقة نهائية مختلفة. تؤدي هذه التركيبات المختلفة إلى انبعاثات متزامنة بأطوال موجية مختلفة.

يتكون الضوء من إشعاع كهرومغناطيسي بأطوال موجية مختلفة. لذلك، عندما تُسخّن العناصر أو مركباتها، سواءً باللهب أو بالقوس الكهربائي، فإنها تُصدر طاقة على شكل ضوء. يُعطينا تحليل هذا الضوء، باستخدام المطياف، طيفًا غير متصل. المطياف هو أداة تُستخدم لفصل مكونات الضوء ذات الأطوال الموجية المختلفة. يظهر الطيف في سلسلة من الخطوط تُسمى طيف الخطوط. يُسمى طيف الخطوط هذا بالطيف الذري عندما ينشأ من ذرة في حالتها العنصرية. لكل عنصر طيف ذري خاص به. يُشير إنتاج أطياف الخطوط من ذرات العنصر إلى أن الذرة لا تُشع إلا كمية محددة من الطاقة. هذا يقودنا إلى استنتاج مفاده أن الإلكترونات المرتبطة لا تمتلك أي كمية من الطاقة، بل كمية محددة ومحددة منها فقط.

يمكن استخدام طيف الانبعاث لتحديد تركيب المادة، إذ يختلف هذا الطيف باختلاف كل عنصر من عناصر الجدول الدوري . ومن الأمثلة على ذلك علم الأطياف الفلكي : تحديد تركيب النجوم من خلال تحليل الضوء المُستقبَل. وتكون خصائص طيف الانبعاث لبعض العناصر واضحة للعين المجردة عند تسخينها. فعلى سبيل المثال، عند غمس سلك من البلاتين في محلول نترات الصوديوم ثم وضعه في اللهب، تُصدر ذرات الصوديوم لونًا أصفر كهرمانيًا. وبالمثل، عند وضع الإنديوم في اللهب، يتحول لون اللهب إلى الأزرق. تُمكّن هذه الخصائص المحددة من تحديد العناصر من خلال طيف انبعاثها الذري. ولا يمكن رؤية جميع الأطياف المنبعثة بالعين المجردة، إذ يشمل الطيف أيضًا الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. ويتكون طيف الانبعاث عند رؤية غاز مُثار مباشرةً من خلال مطياف.

مطيافية الانبعاث هي تقنية طيفية تفحص أطوال موجات الفوتونات المنبعثة من الذرات أو الجزيئات أثناء انتقالها من حالة إثارة إلى حالة طاقة أقل. ينبعث من كل عنصر مجموعة مميزة من الأطوال الموجية المنفصلة وفقًا لبنيته الإلكترونية ، ومن خلال رصد هذه الأطوال الموجية يمكن تحديد التركيب العنصري للعينة. تطورت مطيافية الانبعاث في أواخر القرن التاسع عشر، وأدت الجهود المبذولة في التفسير النظري لأطياف الانبعاث الذري في نهاية المطاف إلى ظهور ميكانيكا الكم.

توجد طرق عديدة لإثارة الذرات. يُستخدم التفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي في مطيافية التألق ، والبروتونات أو الجسيمات الأثقل الأخرى في انبعاث الأشعة السينية المُستحث بالجسيمات ، والإلكترونات أو فوتونات الأشعة السينية في مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة أو تألق الأشعة السينية . أبسط هذه الطرق هي تسخين العينة إلى درجة حرارة عالية، وبعدها تُنتج الإثارات عن طريق تصادمات بين ذرات العينة. تُستخدم هذه الطريقة في مطيافية انبعاث اللهب ، وهي نفسها الطريقة التي استخدمها أندرس جوناس أنغستروم عندما اكتشف ظاهرة خطوط الانبعاث المنفصلة في خمسينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 1 ]}

على الرغم من أن خطوط الانبعاث ناتجة عن انتقال بين مستويات طاقة مُكمّمة، وقد تبدو حادة للغاية في البداية، إلا أنها ذات عرض محدود، أي أنها تتكون من أكثر من طول موجي واحد للضوء. ويعود هذا التوسع في خطوط الطيف إلى أسباب عديدة.

يُشار إلى مطيافية الانبعاث غالبًا باسم مطيافية الانبعاث الضوئي نظرًا لطبيعة الضوء المنبعث.

في عام 1756، لاحظ توماس ميلفيل انبعاث أنماط لونية مميزة عند إضافة الأملاح إلى لهب الكحول . ^{[ 2 ]} وبحلول عام 1785، اكتشف جيمس غريغوري مبادئ محزز الحيود، وصنع الفلكي الأمريكي ديفيد ريتنهاوس أول محزز حيود مُهندس . ^{[ 3 ] [ 4 ]} وفي عام 1821، رسّخ جوزيف فون فراونهوفر هذه القفزة التجريبية الهامة باستبدال الموشور كمصدر لتشتيت الطول الموجي، مما حسّن الدقة الطيفية وسمح بتحديد كمية الأطوال الموجية المشتتة.

في عام 1835، أفاد تشارلز ويتستون بإمكانية التمييز بين المعادن المختلفة من خلال الخطوط الساطعة في أطياف انبعاث شراراتها ، مما أدى إلى ظهور بديلٍ لتحليل طيف اللهب. ^{[ 5 ] [ 6 ]} وفي عام 1849، أثبت جيه بي إل فوكو تجريبيًا أن خطوط الامتصاص والانبعاث عند نفس الطول الموجي تعود إلى نفس المادة، وأن الاختلاف بينهما ناتج عن درجة حرارة مصدر الضوء. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وفي عام 1853، قدم الفيزيائي السويدي أندرس جوناس أنغستروم ملاحظات ونظريات حول أطياف الغازات. ^{[ 9 ]} افترض أنغستروم أن الغاز المتوهج يُصدر أشعةً مضيئةً بنفس الطول الموجي للأشعة التي يمتصها. وفي الوقت نفسه، كان جورج ستوكس وويليام طومسون (كلفن) يناقشان فرضيات مماثلة. ^{[ 7 ]} كما قاس أنغستروم طيف انبعاث الهيدروجين الذي سُمي لاحقًا بخطوط بالمر . ^{[ 10 ] [ 11 ]} في عامي 1854 و1855، نشر ديفيد ألتر ملاحظات حول أطياف المعادن والغازات، بما في ذلك ملاحظة مستقلة لخطوط بالمر للهيدروجين. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

بحلول عام 1859، لاحظ غوستاف كيرشوف وروبرت بنسن أن العديد من خطوط فراونهوفر (خطوط في الطيف الشمسي) تتطابق مع خطوط الانبعاث المميزة التي تم تحديدها في أطياف العناصر المسخنة. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وقد تم استنتاج أن الخطوط الداكنة في الطيف الشمسي ناتجة عن امتصاص العناصر الكيميائية في الغلاف الجوي الشمسي . ^{[ 16 ]}

يُسحب المحلول الذي يحتوي على المادة المراد تحليلها إلى الموقد، ثم يُرشّ على شكل رذاذ دقيق في اللهب. يتبخر المذيب أولًا، تاركًا جزيئات صلبة دقيقة تنتقل إلى المنطقة الأكثر سخونة في اللهب، حيث تُنتج الذرات والأيونات الغازية من خلال تفكك الجزيئات . هنا، تُثار الإلكترونات كما ذُكر سابقًا، ثم تُطلق فوتونات تلقائيًا لتتحلل إلى مستويات طاقة أقل. من الشائع استخدام مُوحِّد اللون لتسهيل عملية الكشف.

ببساطة، يمكن رصد طيف انبعاث اللهب باستخدام لهب وعينات من أملاح معدنية. تُسمى هذه الطريقة للتحليل النوعي باختبار اللهب . على سبيل المثال، تتوهج أملاح الصوديوم الموضوعة في اللهب باللون الأصفر نتيجةً لأيونات الصوديوم، بينما تُلوّن أيونات السترونتيوم (المستخدمة في مشاعل الطرق) اللهب باللون الأحمر. يُنتج سلك النحاس لهبًا أخضر اللون، ولكنه يُعطي لونًا أزرق في وجود الكلوريد (بسبب مساهمة جزيئية من كلوريد النحاس). ^{[ 17 ] [ 18 ]}

معامل الانبعاث هو معامل في القدرة الناتجة لكل وحدة زمنية لمصدر كهرومغناطيسي ، وهو قيمة محسوبة في الفيزياء . يتغير معامل انبعاث الغاز بتغير طول موجة الضوء. ووحدته هي م⋅ث ⁻³ ⋅ستراديان ⁻¹ . ^{[ 19 ]}

• مطيافية الامتصاص
• طيف الامتصاص
• خط طيفي ذري
• التحليل الطيفي الكهرومغناطيسي
• الطيف الكهرومغناطيسي
• مصباح التفريغ الغازي ، جدول أطياف انبعاث مصابيح التفريغ الغازي
• التحول المتماثل
• التحول النظائري
• معامل الإضاءة
• فيزياء البلازما
• صيغة ريدبيرج
• النظرية الطيفية
• تتضمن معادلة الصمام الثنائي معامل الانبعاث (وهو معامل لا علاقة له بالمعامل الذي تمت مناقشته هنا).
• الانبعاث الحراري

• أطياف انبعاث الغازات الجوية
• قواعد بيانات التحليل الطيفي الذري - بيانات مرجعية فيزيائية من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا
• محاكاة لون طيف انبعاث العناصر بناءً على بيانات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST).
• طيف انبعاث الهيدروجين