مطياف بصري

المطياف الضوئي ( أو مطياف الضوء ، أو مطياف، أو مطياف ضوئي ) هو جهاز يُستخدم لقياس خصائص الضوء ضمن نطاق محدد من الطيف الكهرومغناطيسي ، ويُستخدم عادةً في التحليل الطيفي لتحديد المواد. ^{[ 1 ]} المتغير المقاس في أغلب الأحيان هو شدة إشعاع الضوء، ولكن يمكن أن يكون أيضًا، على سبيل المثال، حالة الاستقطاب . أما المتغير المستقل فهو عادةً طول موجة الضوء أو كمية فيزيائية مشتقة منه، مثل العدد الموجي المقابل أو طاقة الفوتون ، بوحدات قياس مثل السنتيمترات، أو مقلوب السنتيمترات ، أو الإلكترون فولت ، على التوالي.

يُستخدم المطياف في التحليل الطيفي لإنتاج خطوط طيفية وقياس أطوال موجاتها وشدتها. ويمكن للمطيافات العمل ضمن نطاق واسع من الأطوال الموجية غير المرئية، بدءًا من أشعة غاما والأشعة السينية وصولًا إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة . وإذا صُمم الجهاز لقياس الطيف على مقياس مطلق بدلًا من مقياس نسبي، فإنه يُسمى عادةً مطيافًا ضوئيًا . وتُستخدم غالبية المطيافات الضوئية في المناطق الطيفية القريبة من الطيف المرئي.

يُطلق على جهاز قياس الطيف الذي تتم معايرته لقياس القدرة الضوئية الساقطة اسم جهاز قياس الطيف الإشعاعي . ^{[ 2 ]}

بشكل عام، يعمل أي جهاز معين ضمن نطاق ضيق من هذا الطيف الكلي ، وذلك بسبب اختلاف التقنيات المستخدمة لقياس أجزاء مختلفة من الطيف. أما عند الترددات الأقل من الترددات الضوئية (أي عند ترددات الميكروويف والراديو )، فيُعدّ محلل الطيف جهازًا إلكترونيًا وثيق الصلة.

تُستخدم المطيافات في العديد من المجالات. على سبيل المثال، تُستخدم في علم الفلك لتحليل الإشعاع المنبعث من الأجرام السماوية واستنتاج تركيبها الكيميائي. يستخدم المطياف منشورًا أو محززًا لتفريق الضوء إلى طيف. وهذا يُتيح لعلماء الفلك الكشف عن العديد من العناصر الكيميائية من خلال خطوطها الطيفية المميزة. تُسمى هذه الخطوط بأسماء العناصر التي تُسببها، مثل خطوط ألفا وبيتا وجاما للهيدروجين. يُظهر الجسم المتوهج خطوطًا طيفية ساطعة. أما الخطوط الداكنة فتنتج عن الامتصاص، كما في حالة مرور الضوء عبر سحابة غازية، ويمكن لهذه الخطوط الامتصاصية أيضًا تحديد المركبات الكيميائية. يُستمد جزء كبير من معرفتنا بالتركيب الكيميائي للكون من الأطياف.

تُستخدم المطيافات بكثرة في علم الفلك وبعض فروع الكيمياء . كانت المطيافات القديمة عبارة عن موشورات مُدرّجة تُشير إلى أطوال موجات الضوء. أما المطيافات الحديثة، فتستخدم عادةً محزز حيود ، وشقًا متحركًا ، ونوعًا من الكواشف الضوئية ، وكلها تعمل آليًا ويتم التحكم بها بواسطة الحاسوب . وقد شهدت التطورات الحديثة اعتمادًا متزايدًا على الخوارزميات الحاسوبية في مجموعة من المطيافات المصغّرة التي لا تحتوي على محززات حيود، وذلك على سبيل المثال، من خلال استخدام مصفوفات مرشحات قائمة على النقاط الكمومية على شريحة CCD ^{[ 3 ]} أو سلسلة من الكواشف الضوئية المُصنّعة على بنية نانوية واحدة. ^{[ 4 ]}

طوّر جوزيف فون فراونهوفر أول مطياف حديث بدمج موشور وشق حيود وتلسكوب بطريقة زادت من دقة الطيف وقابلة للتكرار في مختبرات أخرى. كما اخترع فراونهوفر أول مطياف حيود. ^{[ 5 ]} اكتشف غوستاف روبرت كيرشوف وروبرت بنسن تطبيق المطيافات في التحليل الكيميائي، واستخدما هذا النهج لاكتشاف السيزيوم والروبيديوم . ^{[ 6 ] [ 7 ]} كما مكّن تحليل كيرشوف وبنسن من تقديم تفسير كيميائي للأطياف النجمية ، بما في ذلك خطوط فراونهوفر . ^{[ 8 ]}

عند تسخين مادة ما حتى تصل إلى درجة التوهج، فإنها تُصدر ضوءًا مميزًا لتركيبها الذري. وتُنتج ترددات ضوئية معينة نطاقات محددة بوضوح على المقياس، يمكن اعتبارها بمثابة بصمات أصابع. على سبيل المثال، يتميز عنصر الصوديوم بنطاق أصفر مزدوج مميز للغاية يُعرف باسم خطوط الصوديوم D عند 588.9950 و589.5924 نانومتر، وهو لون مألوف لأي شخص شاهد مصباح بخار الصوديوم منخفض الضغط .

في التصميم الأصلي للمطياف في أوائل القرن التاسع عشر، كان الضوء يدخل عبر شق، وتقوم عدسة تجميع الضوء بتحويله إلى حزمة رقيقة من الأشعة المتوازية. ثم يمر الضوء عبر موشور (في المطيافات المحمولة، عادةً ما يكون موشور أميسي ) الذي يكسر الحزمة إلى طيف، وذلك لأن الأطوال الموجية المختلفة تنكسر بمقادير مختلفة بسبب التشتت . بعد ذلك، تُشاهد هذه الصورة من خلال أنبوب مزود بمقياس يُنقل إلى الصورة الطيفية، مما يُمكّن من قياسها مباشرةً.

مع تطور الأفلام الفوتوغرافية ، تم ابتكار المطياف الأكثر دقة . كان يعتمد على نفس مبدأ المطياف، ولكنه كان مزودًا بكاميرا بدلًا من أنبوب الرؤية. في السنوات الأخيرة، حلت الدوائر الإلكترونية المبنية حول أنبوب المضاعف الضوئي محل الكاميرا، مما أتاح إجراء تحليل طيفي فوري بدقة أعلى بكثير. كما تُستخدم مصفوفات من المستشعرات الضوئية بدلًا من الفيلم في أنظمة التحليل الطيفي. وقد أصبح هذا التحليل الطيفي، أو ما يُعرف بالتحليل الطيفي، أداة علمية مهمة لتحليل تركيب المواد المجهولة ودراسة الظواهر الفلكية واختبار النظريات الفلكية.

في أجهزة التحليل الطيفي الحديثة، ضمن نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة، يُعرض الطيف عادةً على شكل عدد الفوتونات لكل وحدة طول موجي (نانومتر أو ميكرومتر)، أو العدد الموجي (ميكرومتر⁻¹ ^، سم⁻¹ ⁾ ، أو التردد (تيراهيرتز)، أو الطاقة (إلكترون فولت)، مع الإشارة إلى الوحدات بواسطة المحور الأفقي . أما في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والبعيدة، فيُعبّر عن الأطياف عادةً بوحدات الواط لكل وحدة طول موجي (ميكرومتر) أو العدد الموجي (سم⁻¹ ⁾ . وفي كثير من الحالات، يُعرض الطيف مع إبقاء الوحدات ضمنية (مثل "العدّ الرقمي" لكل قناة طيفية).

المطياف هو جهاز يفصل الضوء إلى أطوال موجاته ويسجل البيانات. ^{[ 11 ]} يحتوي المطياف عادةً على نظام كاشف متعدد القنوات أو كاميرا تكشف وتسجل طيف الضوء. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

استُخدم المصطلح لأول مرة عام 1876 من قِبل الدكتور هنري دريبر عندما اخترع النسخة الأولى من هذا الجهاز، والتي استخدمها لالتقاط عدة صور لطيف نجم فيغا . كانت هذه النسخة الأولى من المطياف معقدة الاستخدام وصعبة الإدارة. وقد ساهم جاكسون إس. ريتشاردسون وجوناثون دي. هوجان في نشر استخدام الجهاز. ^{[ 13 ]}

توجد أنواع عديدة من الأجهزة تُعرف باسم أجهزة قياس الطيف ، وذلك بحسب طبيعة الموجات المستخدمة. استخدمت أجهزة قياس الطيف الأولى ورق التصوير الفوتوغرافي ككاشف. وقد اكتُشف صبغ الفيتوكروم النباتي باستخدام جهاز قياس طيف يستخدم نباتات حية ككاشف. أما أجهزة قياس الطيف الأحدث فتستخدم كواشف إلكترونية، مثل أجهزة CCD، التي يمكن استخدامها مع كل من الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية . ويعتمد اختيار الكاشف المناسب على أطوال موجات الضوء المراد تسجيلها.

يُطلق على جهاز قياس الطيف أحيانًا اسم جهاز متعدد الألوان ، تشبيهًا بجهاز أحادي اللون .

• JF James and RS Sternberg (1969), The Design of Optical Spectrumters (Chapman and Hall Ltd)
• جيمس، جون (2007)، أساسيات تصميم المطياف (مطبعة جامعة كامبريدج) ISBN 0-521-86463-1
• براوننج، جون (1882)، كيفية العمل مع المطياف  : دليل عملي للتعامل مع جميع أنواع المطيافات
• بالمر، كريستوفر (2020). دليل محززات الحيود (  الطبعة الثامنة). إم كيه إس نيوبورت.

• مطياف للأطياف الفلكية
• صور لأجهزة قياس الطيف المستخدمة في مرصد ليك، من الأرشيف الرقمي لسجلات مرصد ليك، التابع لمجموعات مكتبة جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز الرقمية. مؤرشفة بتاريخ 25 أبريل 2019 على موقع Wayback Machine.