إثارة الذرات وطيف الامتصاص

يستغرق 9 دقيقة

رأينا (في مقال التحليل الطيفي) كيف تفقد الذرات المثارة طاقتها الإضافية، ولكن كيف تُثار في المقام الأول؟ لعل أبسط طريقة هي التسخين. فعند تسخين أي غاز، تتحرك الذرات بسرعة أكبر وأكبر وتصبح التصادمات بينها أكثر عنفًا، حتى تصل إلى درجة عالية من الشدة بحيث تتوفر طاقة كافية تدفع الإلكترون إلى القفز إلى مستوى طاقة أعلى.

ربما تنتج الطاقة الحرارية أيضًا عن تفاعل كيميائي بين الذرات، وهذا ما يحدث في اللهب. تتسبب الحرارة الناتجة عن الاحتراق في إثارة الذرات. وبعد الإثارة، سرعان ما تعود الإلكترونات إلى المدار الداخلي فاقدةً طاقتها الإضافية على هيئة ضوء (فوتونات).

يمكن أن تُثار إلكترونات الغاز كذلك بمرور تيار كهربي خلاله. إن سريان التيار الكهربي هو ببساطة اندفاع إلكترونات سالبة الشحنة وأيونات موجبة عبر الغاز. وعندما تصطدم هذه الجسيمات فائقة السرعة بذرات الغاز؛ تمنحها الطاقة اللازمة لإثارتها.

هل تستطيع الآن أن تذكر ثلاث طرق لإثارة الذرات؟

_______________________________

الإجابة:  التسخين، التفاعلات الكيميائية، التيار لكهربي.

 

إثارة الذرات بالإلكترونات

دعنا نتأمل ما يحدث عندما تُثار الذرات بالإلكترونات سريعة الحركة في المثال التالي. يظهر في الشكل مخطط مستويات الطاقة لذرة تخيلية بها إلكترون في أقل مستوى متاح (المستوى الأرضي). وكما ترى، هنالك مستويا طاقة متاحان فوق المستوى الأرضي.

إثارة الذرات

(أ) ما مقدار الطاقة التي يحتاجها الإلكترون لكي يقفز إلى المستوى التالي؟ ________________

(ب) ما مقدار الطاقة التي يحتاجها حتى يصعد الإلكترون إلى مستوى الإثارة الثاني؟ ____________

(ج) ما مقدار الطاقة التي تنبعث جراء عودة الإلكترون أخيرًا إلى مستوى الاستقرار؟ ___________________

الإجابة:

(أ) 1.6 إلكترون فولت.

(ب) 1.0 إلكترون فولت.

(ج) 2.6 إلكترون فولت.

 

في الشكل الماضي: افرض أن إلكترونًا (كجزء من تيار كهربي) متحركًا بطاقة قدرها 1.4 إلكترون فولت اصطدم بإلكترون موجود في المستوى الأرضي للذرة. بما أن الإلكترون القادم ناحية الذرة لا يحوز قدرًا من الطاقة يكفي لإثارة الإلكترون الذي يدور حول نواتها إلى مستوى الإثارة الأول، فإنه لا يمكنه أن يُحركه على الإطلاق، وبالتالي لن يتأثر الإلكترون الأرضي بالإلكترون المتحرك. ولكن ماذا لو بلغت طاقة الإلكترون المتحرك 1.8 إلكترون فولت؟ في هذه الحالة، سيفقد الإلكترون 1.6 إلكترون فولت من طاقته بالاصطدام مع إلكترون المدار مثيرًا إياه للمستوى التالي. وبذلك يتبقى 0.2 إلكترون فولت للإلكترون المتحرك. وإذا بلغت طاقة الإلكترون الساقط 2.6 إلكترون فولت أو ما يزيد، فيمكنه أن يدفع إلكترون الذرة إلى مستوى الإثارة الثاني.

بمجرد أن يحوز الإلكترون الطاقة اللازمة ويصبح في مستوى طاقة أعلى، فإنه يستطيع العودة مرة أخرى للمستوى الأصلي فاقدًا كم (أو كمات) من الطاقة، كما نعلم.

افرض أن ذرتنا المستقرة تُقذف بإلكترون فالآخر (يبدو الأمر غير واقعي، ولكنه سيؤكد على نقطة مهمة أود إيضاحها). ما الذي سيحدث في حالة أن الإلكترونات الساقطة على الذرة لها قيم الطاقة التالية؟ (افترض أن الأمر يتم على هيئة سلسلة من الأحداث.)

(أ) 1.5 إلكترون فولت ________________________________

(ب) 2.0 إلكترون فولت ______________________________

(ج) 0.5 إلكترون فولت _______________________________

(د) 1.0 إلكترون فولت _________________________________

الإجابة:

(أ) لا يحدث أي تأثير.

(ب) يصعد الإلكترون إلى مستوى الإثارة الأول (5.0 إلكترون فولت)، ويكمل الإلكترون الساقط بطاقة تساوي 0.4 إلكترون فولت، أي تتباطأ حركته.

(ج) لا يحدث أي تأثير.

(د) يصعد الإلكترون للمستوى الثالث (مستوى الإثارة الثاني)، ويتوقف الإلكترون الساقط.

 

الإثارة بالضوء

تسليط فوتونات الضوء على الغاز يُعتبر طريقة أخرى لإثارة ذراته، وبالطبع يجب أن تملك الفوتونات القدر المناسب من الطاقة بحيث يكفي لدفع الذرات إلى المستوى الأعلى. إذا قلّت طاقة الفوتون عن الحد المناسب، فلن يُثار الإلكترون. وكذلك، إذا كانت طاقة الفوتون أكبر بكثير من الطاقة اللازمة لقفزة معينة، فلن يُثار الإلكترون!

افرض أن ضوءً أبيض (والذي يتكون من كل ترددات الضوء المرئي) يمر خلال غاز من ذرات الهيدروجين. واعلم أن السواد الأعظم من ذرات أي غاز في درجات الحرارة العادية يتواجد في أقل مستويات الطاقة المتاحة: المستوى الأرضي.

ذرة الهيدروجين
مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين

ارجع إلى الشكل الذي يوضح مستويات الطاقة، حيث نجد أن طاقة المستوى الأرضي المتاح لإلكترون الهيدروجين تساوي −13.6 إلكترون فولت، وأجب على التالي.

(أ) ما هي أقل طاقة يمكن أن يمتصها هذا الإلكترون لينتقل إلى مدار أعلى؟ _____________________

(ب) ما هي قيم الطاقة الثلاث الأخرى التي يمكن أن يحوزها الفوتون الساقط بحيث يُثير ذرات الهيدروجين الموجودة في المستوى الأرضي؟ ______________________________________

الإجابة:

(أ) 10.2 إلكترون فولت (13.6 – 3.4).

(ب) 12.09، 12.75، 13.15 إلكترون فولت، وفي الواقع يمكن أن تحدث هذه السيناريوهات الأربعة بطريقة متزامنة في ذرات منفصلة.

 

طيف الامتصاص

والآن تذّكر ما قلناه بخصوص الضوء الأبيض الذي نضيئه في وسط من غاز ما. يمتص الغازُ تلك الترددات التي توافق القفزات المتاحة للإلكترون، وبالتالي سيفقد الضوء الترددات المقابلة للفوتونات التي امتصتها ذرات الغاز أثناء مرور الضوء خلاله. وفي هذه الحالة، يصبح طيف الضوء المار مشابهًا لما في الشكل التالي.

طيف الامتصاص

يحتوي هذا الطيف على كل الترددات باستثناء تلك الممتصَة، ونسميه في هذه الحالة طيف الامتصاص. تذّكر أن الغاز عند تسخينه يصدر عنه خطوط مضيئة تمثل طيف الانبعاث.

بما أن ترددات الامتصاص تحددها قفزات الإلكترون الممكنة، فإن الخطوط السوداء تظهر عند مواضع محددة ومميزة في الطيف الضوئي، وهي المواضع نفسها حيث تظهر الخطوط المضيئة في طيف الانبعاث الخاص بالعنصر الكيميائي نفسه. مما يعني أن طيف الامتصاص يمكن استخدامه في التعرف على المواد أيضًا.

تحليل الغلاف الجوي لنجم بعيد

يمر الضوء الصادر عن النجوم عبر الغازات المحيطة بها، كما يمر خلال الغلاف الجوي للأرض قبل أن يصلنا. مما يعني ظهوره لنا على هيئة طيف امتصاص. وإذا استثنينا الترددات المصاحبة لعمليات الامتصاص في الغلاف الجوي، فإنه من الممكن أن ندرس طيف الضوء القادم من نجم ما، ونحدد العناصر الموجودة في جو ذلك النجم. ويُعتبر هذا التحليل الطيفي أسلوب متعارف عليه في علم الفلك.

اختبر فهمك:

(أ) ما وجه التشابه بين طيف الانبعاث وطيف الامتصاص للعنصر نفسه؟ ________________________________

(ب) لمَ تظهر الخطوط السوداء في طيف الامتصاص عند المواضع نفسها حيث تظهر الخطوط المضيئة في طيف الانبعاث؟ _______________________________

الإجابة:

(أ) خطوط الانبعاث المضيئة وخطوط الامتصاص المظلمة تظهر عند الترددات نفسها.

(ب) لأنها تنتج عن القفزات الإلكترونية نفسها بين مستويات الطاقة (في حالة الامتصاص تقفز الإلكترونات لأعلى، وفي حالة الانبعاث تهبط لأسفل).


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 *