ما علاقة مواد المصباح بلون ضوئه؟

يستغرق 11 دقيقة

عندما تصادف يوميًا مصابيح صفراء الضوء في الشوارع أو ذات مسحة زرقاء في شوارع أخرى، أو المصابيح الأقرب للضوء الأبيض، لعلّلك قابلت المزيد من الألوان، ولكن هل تساءلتَ عن السبب وراء هذا الاختلاف؟ هيا بنا يا صديقي نستشكشف سويًا في المقال التالي بعضًا من أنواع المصابيح وعلاقة ألوان ضيائها بالمواد المصنوعة منها. 

ملحوظة: تجد بعض الأسئلة وإجاباتها بينما تقرأ، ستساعدك في اختبار فهمك للموضوع.

للمزيد عن إثارة الذرات وتفاعلات الضوء والمادة، اقرأ: التحليل الطيفي، وكذلك: إثارة الذرات وطيف الامتصاص.

المصباح الوهّاج

مصباح الإضاءة المعتاد- المصنوع من فتيلة التنجستن– يشع ضوءًا أبيض بدلًا من الترددات المميزة لعنصر التنجستن. والسبب أن الفتيلة صلبة وليست وفي حالتها الغازية. وفي المواد الصلبة، لا تستقل الذرات عن بعضها البعض، بل ترتبط ارتباطًا وثيقًا. وبالتالي، لا تتأثر الإلكترونات بذرتها “المضيفة” حصرًا، بل يسهل تدفقها من ذرة لأخرى (في الفلزات خصوصًا) بلا حاجة لذرة “مضيفة”. وكنتيجة لذلك، يمكن أن ينتج أي فوتون بأي طاقة من قفزة الإلكترون هذه أو تلك، ومحصلة كل ذلك: طيف مستمر يحتوي على كل ألوان الطيف.

مصباح
شكل (1): مصباح الفتيلة.

(أ) هل هناك عدد أكبر أم أصغر من قفزات الطاقة الممكنة في المادة الصلبة؟ _________________

(ب) ما لون الضوء المنبعث في حالة عدم تقييد الإلكترونات بعدد محدود من قفزات الطاقة؟ ________________

الإجابة:

(أ) عدد أكبر.

(ب) أبيض.

 

إذن يعتمد لون الضوء الصادر عن مصباح الفتيلة على درجة حرارة الفتيلة (ظاهرة إشعاع الجسم الأسود)، ولاحظ أن الفتيلة مصنوعة من التنجستين لتتحمل التسحين إلى درجة حرارة تؤهلها لإصدار كم معقول من الإشعاع على هيئة ضوء مرئي.

 

مصابيح تفريغ الغازات

مصباح بخار الصوديوم
شكل (2): مصابيح بخار الصوديوم. حقوق الصورة.

لبعض مصابيح الضوء في الشوارع مسحة أكثر زرقة مما سواها. إنها غالبًا ما ستكون عبارة عن مصابيح بخار الزئبق. وهي مصابيح تحتوي على بخار عنصر الزئبق- كما يُشير اسمها. وعند تسخين المصباح بتيار كهربي؛ يشع ضوءًا، ولا يكون على هيئة طيف مستمر، بل طيف انبعاث خطيّ، وترددات هذا الطيف هي الترددات المُميِزة لعنصر الزئبق.

في بعض النواحي بأي دولة في العالم، ترى مصابيح الشارع ذات اللون الأصفر الساطع. إنها مصابيح بخار الصوديوم على الأرجح. عند تسخين بخار الصوديوم؛ يشع الضوء الأصفر المميز. راجع طيف الانبعاث لفلز الصوديوم في الشكل التالي.

طيف الانبعاث
شكل (3): طيف الانبعاث الخطي للهيدروجين والهيليوم والصوديوم

(أ) لمَ لا يُشع المصباح الغازي ضوءًا أبيض كما يفعل المصباح الوهّاج (مصباح الفتيلة)؟ ____________________________________________________________

(ب) إن أعيننا أكثر حساسية للضوء الأصفر من أي لون آخر. ما ميزة استخدام مصابيح بخار الصوديوم في ضوء العبارة الماضية؟ ________________________________________________________________________________

الإجابة:

(أ) مصابيح الغاز تُصدر أطياف انبعاث بترددات محددة، بينما المواد الصلبة في المصابيح الوهاجة تشع ضوءًا بجميع الترددات.

(ب) بما أن بخار الصوديوم ينتج عنه لون أصفر فاقع، فإن ضوء المصابيح التي تحويه سيبدو لنا أكثر سطوعًا من المصابيح التي تعمل عند نفس القدرة الكهربية. (في الواقع إن هذه المصابيح أكثر كفاءة 6 أو 8 مرات من المصابيح الوهاجة.)

 

المصابيح الفلورية

مصباح فلوري
شكل (4): مصباح فلوري.

لو مررت الضوء الصادر عن مصباح فلوري fluorescent على منشور ولاحظت طيفه، تجد مزيجًا من الطيف الخطي والطيف المستمر. أما الطيف الخطي، فيسهل شرحه: تحتوي أنبوبة المصباح على غاز ما (زئبق عادة). وأما الطيف المستمر، فينبغي علينا فهم ظاهرة الانبعاث الفلوري لنستطيع تبرير وجوده.

عند سقوط الضوء على معظم المواد الصلبة، فإنها تعكسه أو تمتصه ثم تعيد إشعاعه بالتردد نفسه. ولكن لبعض المواد- نسميها المواد الفلورية- خاصية فيزيائية تجعلها تمتص الترددات العالية ثم تعيد إشعاعها على هيئة فوتونات (ضوء) منخفضة التردد. ونستخدم مثل هذه المواد في طلاء أنابيب المصابيح الفلورية من الداخل حتى تمتص ترددات الأشعة فوق البنفسجية التي تصدر عن ذرات غاز الزئبق عند إثارتها.

الانبعاث الفلوري
شكل (5): الانبعاث الفلوري

افرض أن الذرة الموجودة في شكل (5) تمتص فوتون ضوء فوق بنفسجي، مما يجعل إلكترونها يقفز إلى مستوى الإثارة الثالث. وعندما يعود الإلكترون، فإنه في هذه الحالة يمكنه الهبوط إلى أي من المستويات الثلاثة الأقل طاقةً. وبما أن الطاقة التي يفقدها الإلكترون بهبوطه إلى مستوى الإثارة الأول أو الثاني أقل من الطاقة المفقودة في حالة السقوط إلى المستوى الأرضي، فإن التردد المصاحب لهذين التحولين يكن أقل من تردد الأشعة فوق البنفسجية (التي بدأت العملية كلها بسببها). مما سبق نستنتج أن الإشعاع فوق البنفسجي الصادر عن الزئبق يحث طلاء الأنبوب على الإشعاع في جزء الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي.

(أ) هل تتوقع أن يشع طلاء الأنبوبة (الصَلب) طيفًا خطيًا أم مستمرًا؟ ______________________

(ب) ما السبب وراء الطيف الخطي الناتج عن المصباح الفلوريّ؟ _______________________

(ج) لا تسخن المصابيح الفلورية كما هي الحال مع المصابيح الوهّاجة، فهل تتوقع أن تكون إضاءة مصباح فلوري يعمل بقدرة كهربية تبلغ 40 واط أشد من إضاءة مصباح وهاج يعمل بالقدرة الكهربية نفسها؟ ________________________________

الإجابة:

(أ) مستمر.

(ب) بخار الزئبق.

(ج) أشد؛ لأن المصباح الفلوري يفقد مقدارًا أقل من الطاقة الكهربية على هيئة حرارة.

 

مصابيح الضوء الأسود

الضوء الأسود
شكل (6): مصباح الضوء الأسود الذي يشيع استخدامه في اللوحات الإعلانية.

إن ظاهرة الانبعاث الفلوري هي السر أيضًا وراء ملصقات ولوحات “الضوء الأسود“، والضوء الأسود هو مصطلح شائع للضوء فوق البنفسجي. عندما نعرّض هذه اللوحات إلى الضوء فوق البنفسجي، فإنها تمتصه وتعيد إشعاعه كضوء أبيض مرئي. وبما أن العين البشرية لا تدرك الأشعة فوق البنفسجية، فإن مصابيح “الضوء الأسود” نفسها لا تبدو مضيئة لنا، وإنما تُمتص طاقتها، ويعيد إشعاعها الحبر الفلوري على اللوحة ضوءًا مرئيًا؛ فتبدو اللوحة نفسها هي المضيئة.

(أ) يبدو “الضوء الأسود” بلونٍ بنفسجي بعض الشيء، ما السبب في ذلك برأيك؟ ______________________________________________________________________

(ب) ما وجه الشبه بين ملصقات “الضوء الأسود” والمصباح الفلوري ___________________________________________________________________________________

الإجابة:

(أ) يعني ذلك أن تردد الضوء الناتج عن المصباح يقع في أول منطقة الأشعة فوق البنفسجية في الطيف الكهرومغناطيسي، وبذلك يصدر جزء منه عن أعلى تردد موجود في الضوء المرئي، والذي هو تردد الضوء البنفسجي.

(ب) كلاهما يمتص فوتونات عالية الطاقة، ويعيد إشعاعها منخفضة الطاقة.

 

ظاهرة الانبعاث الفسفوري

لبعض المواد خاصية امتصاص فوتونات الضوء وإعادة إشعاعها ولكن بعد حين، كأن الإلكترونات تقفز إلى مستوى إثارة معين ثم تعلق هناك لبعض الوقت. افرض أنه لديك بعض من ذرات مادة من تلك النوع، وسلطتَ عليها الضوء. سيمتص العديد منها الفوتونات وتصبح الذرات مثارة لذلك، ثم تشع الذرات تدريجيًا ضوءًا مرئيًا، ذرة فالأخرى. إذا أغلقت مصدر الضوء، ستستمر المادة إذن في التوهج؛ لأنه ما زالت هناك ذرات مثارة تفقد طاقتها على هيئة ضوء مرئي واحدة تلو الأخرى. نسمي هذه المواد “المواد الفسفورية“، ونستخدمها عادة في طلاء العديد من الأشياء، مثل: لعب الأطفال والأرقام على ساعات اليد.

المواد الفسفورية
شكل (7): مسحوق مادة فسفورية.

أي الأشياء التالية يقع ضمن فئة المواد الفسفورية؟

_____ (أ) الأزرار المضيئة على المنبهات الكهربية.

_____ (ب) زينة شجرة الميلاد التي تتوهج في الظلام.

_____ (ج) ملصقات الضوء الأسود.

_____ (د) الطلاء اللامع على سيارة جديدة.

_____ (ه) الطلاء الموجود على عقارب ساعة اليد.

الإجابة: (ب) و(ه).


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 *