طیف نشری خطی – چگونگی تشکیل و کاربرد آن
به طیفی که در یک اتم یا مولکول با انتقال الکترون از تراز انرژی بالا به تراز انرژی پایین منتشر می شود طیف نشری خطی می گویند.
هرگاه نور منتشر شده از بخار رقیق شده عناصر از منشور عبور داده شد، این نور به خطوطی تقسیم می شود و به آن طیف نشری خطی می گویند. هر خط نمایش یک طول موج خاص است. انواع طیف های گسیلی و چگونگی تولید طیف نشری خطی در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک بیان می شود.
چگونگی تولید طیف های نشری خطی
وقتی تست شعله انجام می شود مواد مختلف رنگ شعله را تغییر می دهند. مثلا ترکیبات مس دار رنگ شعله را سبز می کنند و ترکیبات آروماتیک به رنگ زرد تند همراه با دوده می سوزند. اینجا با تعریف طیف ها علت تولید این رنگ ها را بیان می کنیم. وقتی که بخار یک عنصر شیمیایی در مقابل شعله (یا تحت اثر اختلاف پتانسیل، امواج الکترومغناطیسی و..) قرار گرفت، نور منتشر شده از آن ها از منشور عبور داده می شود. چون طول موج های مختلف شکست نور مختلفی دارند، وقتی نور از منشور عبور کرد به خط های رنگینی تقسیم می شود که به آن طیف نشری خطی می گویند و برای هریک از عناصر خاص و منحصر به فرد است.
خطوط طیفی نشری هیدروژن
اگر در لامپ تخلیه الکتریکی گاز هیدروژن قرار داده شود و اختلاف پتانسیل اعمال شود، لامپ پرتو کاتدی بنفش صورتی رنگ می شود. الکترون های آزاد شده از کاتد مولکول های هیدروژن را به اتم های آن تجزیه کرده، وقتی این اتم ها انرژی جذب می کنند مقداری از انرژی اضافی خود را به صورت نور نشر می کنند. این نور تابیده شده در برخورد با منشور با توجه به طول موج های مختلف تفکیک شده و هرکدام به صورت خطی روی شیشه عکاسی ظاهر می شوند. اتم های هیدروژن به صورت طیف چهار خطی قرمز، سبز، بنفش و نیلی آشکار می شود. هرکدام از این خطوط نشان دهنده یک طول موج، فرکانس و انرژی مشخصی است. طول موج نورهای تابیده شده بین ماورابنفش تا زیر قرمز است.
اگر در لامپ کاتدی گاز نئون استفاده شود رنگ لامپ قرمز خواهد شد و در آشکارساز به چند خطوط نوری تفکیک می شود.
انتقالات الکترونی اتم هیدروژن و خواص سری های آن
انتقال الکترون از تراز بالاتر از تراز اول به n = 1 سری لیمان است، انرژی در این انتقال بالاست و طول موج کوتاه بوده و طیف آن چون در ناحیه فرابنفش قرار می گیرد، دیده نمی شود.
طیف مربوط به سری بالمر که انتقال الکترونی آن از سطوح انرژی بالاتر از تراز دوم به n = 2 است، در ناحیه مرئی بوده و دیده می شود و به رنگ های بنفش، آبی، سبز و قرمز است.
در تراز های بالاتر اختلاف انرژی کم و طول موج زیاد است بنابراین طیف سری پاشن که انتقال الکترون آن از سطوح انرژی بالاتر به n = 3 است در محدوده زیر قرمز ظاهر خواهد شد.
طیف مربوط به سری براکت نیز در محدوده ناحیه زیرقرمز آشکار می شود.
انواع طیف های گسیلی
طیف های گسیلی با توجه به منبع تولید آن ها به دو دسته طیف های پیوسته و طیف های خطی تقسیم می شوند :
طیف گسیلی پیوسته
وقتی نور سفید از منشور عبور کند طیفی که می دهد شامل تمام طول موج های نور مرئی است و نوارهای رنگی از کناره باهم آمیزش پیدا می کنند و مثل یک رنگین کمان پیوسته رنگ ها کنار هم قرار می گیرند. این طیف را پیوسته می گویند. اگر جامدات گرم شوند و یا به شکل مذاب درآیند، از خود طیفی گسیل می کنند که رنگ خاصی خواهد داشت. ولی این طیف برای تشخیص عناصر از یکدیگر نیست و این طیف برای تمام مواد به یک شکل هستند. به عنوان مثال وقتی آهن گرم می شود اول قرمز رنگ می شود، سپس به رنگ نارنجی و بعد سفید درمی آید و باگذشت زمان و افزایش بیشتر دما رنگ عوض نمی شود و فقط شدت نور در جاهای مختلف زیاد می شود. پس طیف نور مرئی که از ناحیه قرمز تا بنفش در دماهای مختلف ایجاد می شود عناصر مختلف را از هم تفکیک می کند.
طیف گسیلی ناپیوسته (خطی)
این طیف همان طور که در بالا توضیح داده شده از نور تابیده شده از تبخیر عنصرها تشکیل می شود. این طیف مانند طیف پیوسته نیست و از خطهای رنگی جدا تشکیل شده، به همین دلیل به آن طیف خطی می گویند. بر خلاف طیف پیوسته این طیف برای هر عنصری مجزاست و همه طول موج ها را شامل نمی شود و طیف نشری هیچ کدام از عناصر شبیه هم نیست. بین طول موج ها نوارهای تیره دیده می شود. در اینجا به منحصر به فرد بودن طیف نشری خطی اشاره می کنیم.
منحصر به فرد بودن طیف نشری خطی
همان طور که اثر انگشت هر انسانی خاص است و هیچ دو انسانی اثر انگشت یکسانی ندارند، در مورد طیف نشری خطی نیز همین گونه است. هیچ دوعنصری را نمی توان یافت که طیف نشری خطی یکی داشته باشند و هر کدام از عناصر اختلاف انرژی دو تراز آن ها به هیچ عنوان یکی نیست. از این خصوصیت می توان برای شناسایی عناصر استفاده کرد. وقتی انتقال الکترون مثلا از تراز سوم به تراز دوم در دو عنصر مختلف داریم، چون عدد اتمی در عنصرها متفاوت و اختلاف انرژی دو تراز انرژی در آن ها متفاوت است، پس خطوط طیفی ظاهر شده با طول موج خاصی ظاهر خواهد شد. پس طیف خطی نشری برای عناصر مختلف به شکل های مختلفی ظاهر می شود.
طیف جذبی و نشری
از دیدگاهی دیگر طیف ها را به دو دسته طیف های جذبی و نشری تقسیم می کنند :
طیف جذبی
وقتی به یک ماده نوری تابیده می شود قسمتی از آن جذب شده و قسمتی از آن عبور می کند، اگر نور عبور شده از منشور بگذرد طیف ایجاد شده جذبی خواهد بود. دریک اتم وقتی الکترون ها از سطح انرژی پایین (حالت پایه) به سطح انرژی بالاتر می رود انرژی جذب می کند و به طیف آن ها طیف جذبی اتم می گویند. طیف جذبی هم می تواند به صورت پیوسته باشد و هم به صورت خطی. طول موج های جذب شده در طیف جذبی به صورت خط های تاریک در زمینه ی روشن ظاهر می شود.
طیف نشری
در اینجا برعکس اگر به ماده ای حرارت بدهیم از خود نور منتشر می کند که با عبور از منشور طیف نشری می دهد. در اتم وقتی الکترون ها در حالت برانگیخته از تراز انرژی بالا به تراز انرژی پایین (حالت پایه) برمی گردند انرژی آزاد می کنند. به طیف آن ها طیف نشری خطی اتم می گویند. طیف نشری نیز می تواند به دو صورت پیوسته و خطی باشد. طول موج های تابشی در طیف نشری به صورت خط های روشن در زمینه ی تاریک ظاهر می شود.
در تکمیل بحث بالا الکترون ها وقتی میان دو تراز i و f جابه جا می شوند میزان انرژی که جذب یا نشر می کنند برابر با اختلاف انرژی دو لایه (Ef _ Ei) خواهد بود. هرچه اختلاف انرژی دو سطح بیشتر باشد انرژی نور نشر شده بیشتر می شود.
اتم هر عنصر وقتی برانگیخته می شود همان طول موج هایی را جذب می کند که در هنگام نشر از خود تابش می دهد.
روش های برانگیختن اتم یا مولکول جهت طیف نشری
الف- نمک ها را بیشتر در معرض شعله قرار می دهند (طیف شعله)
ب- مواد گازی را تخلیه الکتریکی (طیف تخلیه) می کنند.
ج- فلزات و مواد جامد را گرما می دهند تا ملتهب شوند (طیف جسم ملتهب).
د- فلزات قلیایی و قلیایی خاکی را د ر مجاورت گرمای حاصل از کمان الکتریکی قرار می دهند (طیف جرقه).
توجه : بور کسی بود که با مطالعه طیف نشری خطی هیدروژن مهمترین نظریه اتمی را در مورد ساختار اتم ارایه کرد.
طیف نشری خطی عناصر
هر عنصر طیف خط منحصر به فرد خود را دارد که به عنوان “اثر انگشت” برای یک عنصر خاص شناخته می شود. طیف هر عنصر منحصر به فرد است زیرا هر عنصر دارای تعداد متفاوتی از الکترون ها و در نتیجه سطوح انرژی متفاوت است. طیف های گسیل اتمی زمانی تولید می شوند که الکترون های برانگیخته به حالت پایه بازگردند. هنگامی که الکترون ها به سطح انرژی پایین تری باز می گردند، انرژی را به شکل نور ساطع می کنند.
طیف خطی تصویری از خطوط رنگی یا نوارهای نوری است که در طیف سنجی نوری تشکیل شده اند و هر خط یکی از فرکانس های طیف یک منبع نور را نشان می دهد. منبع نور معمولاً توسط یک منشور یا یک توری پراش به نوارهای جداگانه شکسته می شود.
طیف اتمی طیف تابش امواج الکترومغناطیسی است که به دلیل انتقال یک الکترون از یک سطح انرژی به سطح دیگر در یک اتم ایجاد می شود. اتم ها دارای بارهای منفی و مثبت برابر هستند که به عنوان ابرهای کروی بارهای مثبت با الکترون های جاسازی شده در مفهوم تامسون توصیف شدند. در مدل رادرفورد، یک هسته کوچک اکثریت جرم اتم و همچنین بارهای مثبت آن را حمل می کند و الکترون ها به دور آن می چرخند.
اتم های هر عنصر طیف منحصر به فرد خود را دارند و پایدار هستند. این طیف از طیف های خطی تشکیل شده است که خطوط موازی ایزوله هستند. تولید طیف خط توسط اتم های یک عنصر نشان می دهد که یک اتم فقط می تواند مقدار معینی انرژی را تابش کند. این نشان می دهد که الکترون های مقید نمی توانند هر مقدار انرژی داشته باشند، بلکه فقط مقدار معینی انرژی خواهند داشت. خطوط انتشار به صورت خطوط رنگی در پس زمینه سیاه دیده می شوند. خطوط جذبی به صورت خطوط سیاه روی پس زمینه رنگی دیده می شوند.
