التحليل الطيفي

يستغرق 10 دقيقة

أحد أشهر الطرق المستخدَمة للتعرف على العناصر الكيميائية المكونة للمادة هو التحليل الطيفي Spectroscopy، وسأحاول أن أبيّن المبدأ الذي تقوم عليه الطريقة فيما يلي. وقبل أن أبدأ يجدر بي التنويه على أن نموذج بور للذرة ليس الأدق حاليًا للتعبير عن طبيعة الذرة وتفاعلاتها مع الضوء مقارنة بنظرية الكم، ولكنه ما زال يقدم لنا تصوّرًا جيدًا وحسابات دقيقة لما يحدث عند إثارة الذرات أو ارتخائها.

اقرأ المقال التالي للمزيد عن طبيعة الذرة: شكل الذرة الحقيقي.

ارتخاء الذرة المثارة

يمثل الجزء (A) من الشكل التالي ذرة بأربعة مستويات طاقة لإلكتروناتها (في الحقيقة، للذرة عدد أكبر من المدارات المتاحة). ويظهر في الشكل إلكترون واحد في المدار الخارجي، ولا تحتوي المدارات الداخلية على أي إلكترونات. الذرة التي تحتوي على إلكترون واحد في أي مدار عدا أقل المدارات المتاحة من حيث الطاقة نسميها ذرة مُثارة Excited atom؛ لأنها تحوز طاقة أكبر من الحد الأدنى، ولا تُعتبر هذه حالة ثبات أو استقرار[1]، ولذلك ستحاول أن تفقد هذه الطاقة الإضافية (على هيئة فوتونات ضوء) عن طريق هبوط الإلكترون إلى مستويات الطاقة الأقل.

الذرة

ويظهر في الجزء (B) الطرق الممكنة لهبوط الإلكترون، فيمكنه السقوط للمستوى الثالث أو الثاني أو الأول. وإذا سقط إلى المستوى الثالث، فيمكنه السقوط بعد ذلك إلى المستوى الثاني أو الأول. وبمجرد هبوطه إلى المستوى الثاني، فيسقط إلى المستوى الأول. وفي كل مرة يهبط الإلكترون من مدار خارجي إلى آخر داخلي، فإنه يفقد قدرًا من الطاقة يساوي الفرق بين طاقتي المستويين، وتنطلق هذه الطاقة على هيئة كم Quantum (أو فوتون) من الإشعاع.

(أ) تأمل الجزء (B) من الشكل الماضي جيدًا، ثم أجب: أي مسار من المسارات الممكنة لهبوط الإلكترون سينتج عنه الفوتون الأعلى طاقةً؟ ________________

(ب) ما أقصى عدد من الفوتونات يمكن أن يصدر عن هذه الذرة المثارة؟ ______________________

(ج) أين سيكون الإلكترون عندما تصل الذرة لحالة الاستقرار؟ __________________

الإجابة:

(أ) 4 إلى 1.

(ب) 3 فوتونات (من 4 إلى 3، ومن 3 إلى 2، ثم من 2 إلى 1).

(ج) في المدار الداخلي الأقرب للنواة.

ذرة الهيدروجين

في الشكل التالي تجد تمثيلًا بيانيًا لمستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين (لاحظ أن الموضح في الشكل هي مستويات الطاقة وقيمها بدلًا من المدارات الدائرية). ووحدات القياس المستخدَمة ها هنا للتعبير عن الطاقة هي الإلكترون فولت (لا تقلق بخصوص ما تعنيه هذه الوحدات، على الأقل الآن)، كما أنه من المتفق عليه أن يكون مقدار الطاقة سالب لكي يتوافق مع النظام المعمول به في الممارسات الفيزيائية.

ذرة الهيدروجين

افرض أن الإلكترون في المستوى الذي طاقته −0.85 إلكترون فولت ويهبط إلى المستوى – 1.51 إلكترون فولت. سيفقد الإلكترون طاقة لأن المستوى الذي هبط إليه أقل من مستواه الأصلي، وتساوي كمية الطاقة المفقودة الفرقَ بين المستويين: −0.85 –(−1.51) = 0.66 إلكترون فولت. ولذلك، ينبعث فوتون طاقته 0.66 إلكترون فولت.

(أ) افرض أن الإلكترون يهبط من المستوى −0.85 إلكترون فولت إلى −3.40 إلكترون فولت، فما مقدار الطاقة التي يحوزها الفوتون الصادر؟ ________________

(ب) وما طاقته إذا هبط الإلكترون من المستوى −0.85 إلى المستوى الأقل على الإطلاق؟ _________________

(ج) افرض أن الإلكترون يهبط من −0.85 إلى −1.51 إلكترون فولت، ثم يهبط إلى المستوى −13.6 إلكترون فولت. ما مقدار طاقة الفوتون الناتج؟ ________________

الإجابة:

(أ) 2.55 إلكترون فولت.

(ب) 12.75 إلكترون فولت.

(ج) 12.09 إلكترون فولت.

 

كما أشرت من قبل، إن مستويات الطاقة الموضحة في الشكل الماضي تعود إلى ذرات الهيدروجين بالفعل. مما يعني أن الإشعاع الصادر عن ذرات الهيدروجين يحوز دائمًا ترددات محددة ومميزة. وللعناصر الأخرى تشكيلات ومجموعات مختلفة من مستويات الطاقة، ولا يوجد عنصران في الجدول الدوري لهما مجموعة المستويات نفسها، ولذلك لا تنبعث فوتونات لها مجموعات الطاقة نفسها من عنصرين مختلفين.

ولعل الرابط بين نظرية الكم والنظرية الكهرومغناطيسية هو أن الفوتونات لو اختلفت في الضوء؛ تختلف في التردد أيضًا. وإذا قصرنا حديثنا على الضوء المرئي، فإنه يمكننا القول بأن الضوء إذا اختلف تردده؛ اختلف لونه. مما سبق نستنتج أن كل عنصر كيميائي في الطبيعة إذا تم تسخينه إلى الحالة الغازية بحيث يشع ضوءًا (يصل لحالاته المثارة)، فسوف يبث إشعاعًا بتردداته المميزة (أي ألوانه المميزة).

(أ) هل يمكننا التعرف على العناصر المختلفة من خلال لون الضوء الصادر عنها في حالتها الغازية؟ ______________

(ب) لمَ\ لمَ لا؟ _________________

الإجابة:

(أ) نعم.

(ب) لكل عنصر مجموعة مختلفة من مستويات الطاقة، وبالتالي يصدر عنه إشعاع بمجموعة مختلفة من الترددات.

التحليل الطيفي

والآن افرض أننا أخذنا الضوء الصادر عن غاز الهيدروجين الساخن وقمنا بتمريره على منشور زجاجي حتى يحلله إلى ألوانه. نعلم الآن أنه ثمة ترددات محددة فقط في الضوء الناتج عن الهيدروجين، وبالتالي تنتج ألوان معينة نتيجةً لذلك. يشبه طيف الضوء الصادر عن ذرات الهيدروجين الشكل التالي بطريقة ما. لاحظ وجود بعض “الألوان” في منطقة الضوء فوق البنفسجي. وعلى الرغم من عدم قدرة العين البشرية على تحديدها، فإنه يمكننا رصدها- مع ذلك- على غشاء مصنوع من مادة حساسة للأشعة فوق البنفسجية.

جهاز التحليل الطيفي

لو استخدمنا عنصرًا كيميائيًا آخر كمصدر للضوء، ينتج طيف مختلف؛ لأن كل عنصر له مجموعة مستويات الطاقة الخاصة بإلكتروناته، وبالتالي لكل عنصر تردداته المميزة للضوء المنبعث منه. (تجد في الشكل الماضي طيفي الهيليوم والصوديوم.) مما يعني أنه لو سخّنا غاز ما فرأينا مزيجًا من الترددات يتوافق مع طيف الهيليوم (كالذي في الشكل)، فإننا نصبح متأكدين علم اليقين أن ذلك الضوء صادر عن عنصر الهيليوم.

نطلق على الطيف الذي ناقشناه فيما سبق- لأسباب واضحة- طيف الانبعاث الخطي. عندما نحلل الضوء الصادر عن غاز متوهج إلى ألوانه (باستخدام منشور زجاجي مثلًا)، يمكننا بذلك تحديد العناصر الموجودة في ذلك الغاز. ونجري عملية تحليل أطياف المواد المختلفة بجهاز نسميه المطياف، وأما الأسلوب نفسه فنسميه التحليل الطيفي.

(أ) بالرجوع إلى الشكل: أي العناصر يضم في طيفه أكبر كم من الضوء فوق البنفسجي؟ ________________

(ب) ما لون الضوء الذي ينبعث من الصوديوم؟ _____________

(ج) ما فائدة التحليل الطيفي؟ _________________

الإجابة:

(أ) الهيدروجين.

(ب) الأصفر.

(ج) لتحديد العنصر أو العناصر المكونة للمادة.


[1]  هذا ما وجدنا عليه الطبيعة. يميل أي نظام إلى أن يحوز أقل قدر ممكن من الطاقة المتاحة لبذل الشغل، فتميل الكرة إلى السقوط من أعلى التل حتى تفقد طاقة الوضع، وتميل الإلكترونات إلى التواجد في أقل مستوى من مستويات الطاقة إن أمكن. هي قاعدة كونية عامة: الوضع الأقل في الطاقة هو الوضع الأكثر استقرارًا. (كاتب المقال.)

لتطبيق مشابه عن محاولة المادة للحفاظ على وضع الاستقرار، طالع المقال التالي: هل ينكمش المطاط بالحرارة؟


من كتاب:

Karl F. Kuhn. Basic Physics. Chapter 19. 1996. John Wiley & Sons, Inc.

تعليقات الفيسبوك

تعليقات

المساهمون في المقال

كتابة: محمد عبد العليم

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *