الأطياف الضوئية. الاجابة عن أهم الأسئلة

مقدمة:

تلعب الأطياف الضوئية دورًا أساسيًا في فهم طبيعة الضوء وخصائصه، حيث تمثل التحليل الدقيق للموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة أو الممتصة من الأجسام المختلفة. وتُستخدم هذه الأطياف في العديد من المجالات العلمية والتطبيقية، مثل علم الفلك، والكيمياء، والفيزياء، والطب.

ينقسم الطيف الضوئي إلى عدة أنواع، منها الطيف المستمر، والطيف الخطي، وطيف الامتصاص، ولكل نوع دلالاته الخاصة التي تساعد العلماء في تحليل المواد وتحديد مكوناتها. ومن خلال دراسة الأطياف، يمكن استكشاف تركيب النجوم، وفهم التفاعلات الكيميائية، وحتى تطوير تقنيات متقدمة مثل الليزر والألياف الضوئية.

في هذا المقال، سنستعرض مفهوم الأطياف الضوئية، وأنواعها، وأهم تطبيقاتها في المجالات المختلفة، مما يتيح فهمًا أعمق لهذه الظاهرة الفيزيائية الحيوية.

ملاحظة: توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية المقال.

I ـ أطياف الإصدار وأطياف الامتصاص:

1 ـ مشاهدات أولية:

رأينا في الوحدة السابقة أن الضوء الأبيض الصادر من الشمس، أو المنابع المتوهجة يحدث له تبدد عند مروره عبر موشور، ويعطينا طيف الأضواء الوحيدة اللون التي يتركب منها.

يمكن الحصول على الطيف الضوئي بوسائل أخرى، بعضها يعتمد على نفس مبدأ تبدد الضوء بالموشور، والبعض الآخر يعتمد على مبدأ آخر.

أ ـ كيفية الحصول على الأطياف الضوئية (استخدام شبكة أو قرص مضغوط):

خذ قرصا مضغوطا (CD)، وسلط على سطحه أشعة الشمس (أو مصباح)، وأنظر إلى الصورة المشكلة عبره. 

ـ ماذا تلاحظ ؟

نلاحظ تشكل شريط من الألوان كما في ظاهرة قوس قزح.

ـ حاول إسقاط الضوء المنعكس منه على جدار الحجرة أو سقفها. صف ما تشاهده في فقرة قصيرة.

نشاهد تشكل قوس قزح في شكل دائري

أطلب من أستاذك أن يسلم لك شبكة بصرية، أنظر عبرها إلى أشعة الشمس أو مصباح متوهج.

ـ صف مشاهداتك.

نشاهد الطيف التالي:

ـ لخص إستنتاجاتك في فقرة.

ب ـ المطياف وكيفية إستعماله:

تجربة:

نستخدم في هذه المرة محلول كلور الصوديوم (Na⁺ + Cl^-)، يوضع المحلول في بخاخة (إناء يسمح بالحصول على رذاذ من المحلول).

- اضبط موقد بنزن بحيث تحصل على لهب أزرق، ثم قم برش هذا اللهب بمحلول NaCl كما في الشكل:

ـ ماذا يحدث للون اللهب ؟

نلاحظ زيادة في لهب الموقد و اكتساب اللهب اللون الأصفر.

- وجه المطياف إلى هذا الضوء وارسم الطيف المشاهد.

نشاهد الطيف التالي:

- ما هي العناصر الكيميائية التي توجد بمحلول كلور الصوديوم؟

العناصر الكيميائية التي توجد بمحلول كلور الصوديوم هي شوارد الصوديوم و شوارد الكلور

- إلى أي طيف من الأطياف المشاهدة سابقا يشبه هذا الطيف ؟

الطيف الناتج يعود إلى عنصر الصوديوم الذي يعطي اللون الأصفر المميز للهب

- أي عنصر كيميائي يميزه هذا الطيف ؟

يميزه هذا الطيف عنصر الصوديوم

استنتج بإكمال الجملة الآتية:

تصدر العناصر الكيميائية في ظروف معينة ضوءا ذا طيف خاص بها ومميزا لها، لذا يعتمد في كثير من الدراسات والبحوث على دراسة أطياف الإصدار للكشف عن العناصر الكيميائية المركبة للمادة التي تصدر هذا الضوء.

تعريف المطياف ذو الشبكة البصرية:

وهو مطياف عملي يمكن صانعه بسهولة، بحيث يكفي استخدام أنبوب عاتم من البلاستيك وسد أحد طرفيه بسدادة عاتمة بها شق ضيق، وتوضع الشبكة البصرية في الطرف الثاني للأنبوب العاتم.

ملاحظة: 

الشبكة البصرية هي شريحة من البلاستيك تنقش فيها عدد كبير من خطوط الموازية و المتراصة (حوالي 500 خط في المليمتر الواحد)

II ـ تصنيف الأطياف:

1 ـ أطياف الاصدار:

نشاط 1:

نوجه المطياف نحو ضوء أشعة الشمس، ثم نحو مصباح متوهج، ثم نحو ضوء شمعة.

ـ ماذا نلاحظ ؟ 

نلاحظ طيف الضوء الأبيض الموضح في الشكل(1)

نشاط 2:

نوجه المطياف نحو ضوء صادر من مصباح بخار الزئبقي، ثم نحو الضوء الصادر من مصباح الصوديوم، ثم نحو الضوء الصادر من مصباح النيون.

ـ ماذا نلاحظ ؟

نلاحظ الأطياف الموضح في الشكل(2)

من الشكلين (1) و (2)

ـ ماذا تلاحظ ؟   

ـ ماذا تستنتج ؟

ملاحظة:

بالنسبة للشكل (1): نلاحظ في الحالات الثلاثة ألوان قوس قزح وعددها سبعة ألوان.

بالنسبة للشكل (2): نلاحظ في الحالات الثلاثة خطوط مضيئة منفصلة ومحدودة العدد على خلفية سوداء، بحيث يوافق كل خطا إشعاعا وحيد اللون له طول موجة محددة.

الاستنتاج:

نستنتج ان هنالك نوعان من أطياف الإصدار، أطياف الإصدار المستمرة ذات الأصل الحراري وأطياف الإصدار المتقطعة 

الخلاصة:

مفهوم أطياف الإصدار:

هي أطياف الأضواء النابعة من مصادر ضوئية (أي الأجسام التي تصدر الضوء من ذاتها. (الأجسام المضيئة) و هي نوعان:

أطياف الإصدار المستمرة (المتصلة):

وهي أطياف  ضوئية ذات أصل حراري (صادرة من أجسام ساخنة أو تحت ضغط مرتفع، قد تكون هذه الأجسام صلبة، سائلة ، غازية) تحتوي على ألوان تشبه ألوان قوس قزح.

أطياف الإصدار المتقطعة (أطياف الخطوط):

وهي أطياف ضوئية صادرة من أجسام غازية أو أبخرة معادن، تحتوي على بعض الإشعاعات محدودة العدد و منفصلة و تتميز بطول موجة معين.

2 ـ العوامل المؤثرة على نوع و أشكال الأطياف:

نشاط 1:

نحقق التركيب التجريبي التالي الذي يمكننا من التحكم في إضاءة المصباح باستخدام معدلة.

ـ نضبط المعدلة على أكبر قيمة مقاومتها بحيث يكون للمصباح توهج ضعيف.

ـ نوجه المطياف إلى المصباح فنحصل على الطيف الموضح في الشكل(1).

ـ نغير تدريجيا في مقاومة المعدلة، أي نزيد من شدة توهج المصباح ونلاحظ الطيف في كل مرة لنحصل على الأطياف الموضحة في الشكل على الترتيب.

ـ قارن بين هذه الأطياف ؟

هذه الأطياف عبارة عن طيف متصل، لكنه غير كامل عند درجة حرارة منخفضة، وتزداد اكتمالا كلما زادت درجة الحرارة.

ـ ماذا تلاحظ؟

نلاحظ أن المصباح يشع في البداية إشعاعات في جوار اللون الأحمر، ثم تزداد هذه الأشعة تدريجيا حتى تصل إلى الأشعة البنفسجية، ليكتمل الطيف المتصل في المجال المرئي.

ـ ماذا تستنتج؟

نستنتج أن طف الإصدار يتناسب طرديا مع درجة حرارة المنبع، فعند ارتفاع درجة الحرارة سيزداد الطيف غنى بالإشعاعات، من الأحمر إلى البنفسجي، و العكس بالعكس.

3 ـ أطياف الامتصاص:

نسلط حزمة ضوئية بيضاء على مطياف الشبكة

ـ ما نلاحظ ؟

نلاحظ طيف متصل للضوء الأبيض كما في الشكل:

نضع موقد بنزن في وضع يعترض لهبه الحزمة الضوئية، ثم ننثر كمية من ملح الطعام فوق لهب الموقد.  

ـ ماذا نلاحظ ؟

نلاحظ زيادة في لهب الموقد و اكتساب اللهب اللون الأصفر.

ننظر عبر المطياف إلى اللهب، فنتحصل على الشكل التالي.

ـ قارن هذا الطيف مع طيف الضوء الأبيض، ثم قارنه مع طيف الإصدار لمصباح الصوديوم. 

ـ ماذا تستنتج؟

المقارنة بين الطيف المتصل للضوء الأبيض، و طيف امتصاص الصوديوم:

طيف امتصاص الصوديوم يظهر على خلفية طيف الضوء الأبيض، منقوص منه الاشعاعين ذو طول الموجة λ₁ = 580 nm و λ₂ = 589,5 nm ، على شكل خطين عاتمين

المقارنة بين طيف إصدار مصباح الصوديوم، و طيف امتصاص الصوديوم:

 طيف إصدار مصباح الصوديوم يظهر لنا خلفية سوداء، بها إشعاعين ذو اللون الأصفر بطول موجتين λ₁ = 580 nm و λ₂ = 589,5 nm ، على عكس طيف الامتصاص الذي يظهر على خلفية طيف الضوء الأبيض، منقوص منه نفس الاشعاعين

الاستنتاج:

نستنتج انه عندما يجتاز الضوء الأبيض جسما ماديا، فان ذرات أو شوارد هذه المادة تمتص بعض الإشعاعات، و يظهر بشكل طيف متصل، ينقص منه بعض الإشعاعات الممتصة، و تبدو على شكل خطوط عاتمة.

III ـ تطبيق في علم الفلك:

كما رأينا سابقا، يمكن الاعتماد على المعلومات التي تحملها أطياف الإصدار، والامتصاص، للضوء الصادر من النجوم، و الأجرام السماوية لمعرفة درجة حرارة هذه النجوم، والتركيب الكيميائي لغلافها الجوي.

1 ـ طيف ضوء النجم:

تصدر النجوم ضوءا ذا طيف متصل، منبعثا من مناطقها الداخلية ذات درجة حرارة جد مرتفعة، فيعبر هذا الضوء مناطقها السطحية (غلافها الجوي)، ذات درجات حرارة أخفض فيصلنا إلى الأرض بعد عبوره الغلاف الجوي الأرضي.

- في رأيك، ما هي المعلومات التي يحملها طيف الضوء الصادر من نجم ما، والملتقط في مخبر أرضي؟

يسلك النجم سلوك جسم متوهج وساخن، يصدر ضوءا متعلقا بدرجة حرارة طبقته السطحية، لذلك يعطينا طيفه فكرة عن درجة حرارته السطحية.

كما أن ضوء النجم الذي ينطلق من العمق، يجتاز الطبقة الخارجية التي تمتص بعض الإشعاعات حسب العناصر الكيميائية الموجودة فيها (خطوط فرنهوفر).

هذه الإشعاعات المنقوصة نتيجة للامتصاص، تمكننا من معرفة العناصر الكيميائية المتواجدة في الغلاف الجوي للنجم. إن عدد الخطوط المعروفة في المجال بين 300 nm و 700 nm هي أكثر من 20 ألف خط. وتبين من هذه الخطوط أن الشمس تحتوي على أغلب العناصر الكيميائية المعروفة على سطح الأرض، والعناصر الأكثر وفرة والتي تمثل الأغلبية هما عنصري الهيدروجين H بنسبة (78%) ، والهليومHe (19,6%) و 2% لبقية العناصر.

2 ـ دراسة طيف ضوئي لنجم:

يحتوي طيف الضوء الصادر من نجم ما خطوطا سوداء على خلفية ملونة متواصلة.

- إلى ماذا تعود هذه الخلفية المستمرة؟

تعود هذه الخلفية المستمرة الى طيف الضوء الابيض

ـ لماذا نشاهد خطوطا سوداء على هذه الخلفية؟

هذه الإشعاعات المنقوصة، هي نتيجة للامتصاص العناصر الكيميائية المتواجدة في الغلاف الجوي للنجم.

- نعطي في الأشكال التالية الخلفيات الملونة لأطياف ثلاثة نجوم مختلفة 

ـ رتب هذه النجوم وفق درجة حرارتها السطحية المتوسطة.

ترتيب هذه النجوم وفق درجة حرارتها السطحية المتوسطة

درجة حرارة النجم (1) < درجة حرارة النجم (2) < درجة حرارة النجم (3)

ـ أعطت دراسة الضوء الصادر من نجم ما الطيف التالي:

ونعلم أن الطبقة السطحية لهذا النجم لا تحتوي الا على عنصر واحد X أو Y

حيث X و Y هما عنصرين معروفين، طيفا اصداريهما ممثلين أسفله، أي العنصرين يحتويه هذا النجم ؟

يحتوي هذا النجم على العنصر Y

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF