روش های تولید و ایجاد طیف نشری و طیف خطی عنصر ها و تفاوت آن ها

هر گاه بخار يك عنصر شيميايي تحت اثر انرژي هاي مختلف از جمله شعله، اختلاف پتانسيل، قوس الكتريكي و يا امواج الكترومغناطيس قرار گيرد از خود نور نشر خواهد نمود. اگر نور منتشره را از يك منشور عبور دهيم، با توجه به اينكه شكست پرتوهاي نوراني در منشور به طول موج آنها بستگي دارد، نور منتشر شده به خطوطي تقسيم مي‌شود كه به آن طيف نشري مي‌گويند. اين طيف متشكل از تعداد محدودي خطوط رنگين است كه هر خط نشان دهنده طول موج متفاوتي از نور است. طيف خطي هر عنصر منحصر به فرد است.

 مثلاً هرگاه در يك لامپ تخليه الكتريكي گاز هيدروژن را در فشارهاي خيلي پايين و تحت ولتاژهاي بالا قرار دهيم، نور بنفش صورتي رنگ در لامپ آشكار مي‌گردد. بدين ترتيب كه بمباران مولكول هاي گاز به وسيله الكترونهاي منتشره از كاتد در داخل محفظه شيشه‌اي، مولكول هيدروژن را تجزيه كرده و توليد اتم هيدروژن مي‌نمايد. عده‌اي از اين اتم ها مقداري انرژي جذب كرده و بلافاصله به صورت پرتوهاي نوراني انرژي اضافي خود را دفع مي‌كنند (از ماوراء بنفش تا مادون قرمز). نورهاي عبور كرده به منشور تابيده و در آنجا تفكيك شده، و هر دسته از نورها برحسب فركانس خود به صورت خطوطي به شيشه حساس عكاسي مي‌تابند.

 در مورد هيدروژن فقط چهار خط درخشنده قرمز، سبز، بنفش و نيلي ديده مي‌شود كه هر يك معادل با فركانس و انرژي كاملاً مشخص است. ميان اين خطوط روشن را فضاي “تاريك” اشغال می‌كند.

 هرگاه به جاي هيدروژن از گاز نئون استفاده كنيم، مي‌بينيم كه نور قرمزي پديد مي‌آورد (نور قرمز چراغ هاي تبليغاتي) كه آن هم در طيف نما به چند خط نوري مشخص و منفصل تجزيه مي‌شود. معماي بزرگ دانشمندان اين بود كه چرا هر اتم خطوط طيفي ويژه و با انرژي معين دارد؟

مهمترين روش ها براي بر انگيختن اتم (يا مولكول) جهت طيف نشري عبارتند از:

1. قرار دادن جسم در شعله (طيف شعله) كه در مورد نمكها متداول است.
2.  ايجاد تخليه الكتريكي درون گازها (طيف تخليه) كه در موردمواد گازي شكل متداول است.
3.  افزايش دماي جسم جامد تا حالت التهاب، كه در مورد فلزات و مواد جامد متداول است (طيف جسم ملتهب)
4.  قرار دادن جسم در گرماي حاصل از يك كمان الكتريكي كه در مورد فلزات قليايي و قليايي خاكي و تركيبات آنها متداول است (طيف كمان و يا طيف جرقه)

تفاوت طیف نشری با طیف خطی :

•  از نظر نحوه ی تشکیل :

1. طیف نشری از منبع نمونه است ولی طیف جذبی حاصل چشمه نورمی باشد.
2.  همین طور طیف نشری بیشتر از طیف جذبی متاثر از دماست
3. در طیف نشری انرژی لازم باید از طریق تخلیه الکتریکی و دیگر روش ها تامین گردد.
4. ولی در طیف جدی کافی است نور سفید به جسم بخورد و سپس آن نور را بر اثر سرد شدن پس دهد .

•  از نظر وضعیت اتم ها :

1.  طیف نشری از اتم های تحریک شده حاصل می شود ، ولی طیف جذبی به وسیله اتم های تحریک نشده تعیین می شود .

جذب و نشر انرژی تابشی توسط اتم ها اطلاعات زیادی در مورد ساختمان اتمی به ما میدهد. برای مطالعه این مبحث  شناخت ماهیت انرژی تابشی نیز تعریف مفاهیمی مانند جذب ،نشر ،طیف خطی وپیوسته  ضروری به نظر می رسد.انرژی  تابشی متشکل از دو میدان نوسانی و مغناطیسی جذب و نشر انرژی تابشی توسط اتم ها اطلاعات زیادی در مورد ساختمان اتمی به ما میدهد. برای مطالعه این مبحث  شناخت ماهیت انرژی تابشی نیز تعریف مفاهیمی مانند  جذب ،نشر ،طیف خطی وپیوسته  ضروری به نظر می رسد.

انرژی  تابشی متشکل از دو میدان نوسانی و مغناطیسی والکتریکی است که در فصا با حرکت موجی انتقال می یابد برای هر موج فاصله در ماکزیمم یا دو مینیمم یک طول موج یا لاندا نامیده می شود

امواج الکترومغناطیس شامل محدوده وسیعی از طول موج ها هستند که تنها بخش کوچکی از آن توسط چشم ما قابل دیدن است این امواج از  طول موجهای بسیار کوتاه با انرژی های بسیار بزرگ مانند اشعه گاما  تا طول موج های بسیار بلند باانرژی های بسیار کم مانند امواج رادیویی را در برمیگیرند. از این بین تنها بخش کوچکی از امواج توسط چشم ماقابل دیدن می باشد.

وقتی شعاعی از تابش الکترومغناطیس از یک منشور میگذرد ، شکسته می شود. درجه شکست بستگی به طول موج آن شعاع دارد طول موج های کوتاه بیش از طول موج های بلند شکسته میشوند بنابراین برای تجزیه یک شعاع تابش متشکل از طول موجهای مختلف به طول موج های تشکیل دهنده آن می توان از منشور استفاده کرد

 چون نور سفید ترکیبی از تمامی رنگهاست و تمامی طول موجهای محدوده مرئی راشامل میشود پس اگر از منشور عبور کند نوار عریضی از رنگها را شامل میشود که مانند رنگین کمان پیوسته ای است که در آن کناره هر نوار رنگی به کناره نوار مجاوردر هم می آمیزد مثلا بنفش در آبی و آبی در سبز و….  به این طیف، طیف پیوسته میگویند زیرا تمامی طول موج ها در بر می گیرد.

ولی اگر شعاعی که از منشور میگذرد همه طول موج ها نداشته باشد طیف حاصله یک طیفی است که طیف خطی نامیده میشود طیف خطی فقط شامل طول موجهای معینی بوده و در بین خطوط مربوط به طول موجهای خاص نوار های تاریک دیده میشود.

از دیدگاهی دیگر طیف ها را می توان به دو نوع جذبی و نشری تقسیم کرد.

◄   طیف جذبی:

وقتی به یک ماده نوری را میتابانیم ماده قسمتی از نور تابیده شده را جذب کرده و باقی را عبور دهد اگر نور عبور کرده را از یک منشور عبور دهیم به طیف حاصله طیف جذبی میگویند. طیف جذبی میتواند خطی یا پیوسته باشد.

 ◄  طیف نشری:

 اگر یک ماده را از طریق حرارت دادن ویا قوس الکتریکی و یا یه هر طریق دیگر به شدت گرم کنیم ماده از خود نور تابش میکند ( پدیده نشر ) در صورتیکه تابش نشرشده را از یک منشور عبور دهیم به طیف حاصله طیف نشری گفته میشود طیف نشری هم میتواند خطی یا پیوسته باشد.

 ◄   طیف نشری خطی اتم ها:

اگر اتم های گازی شکل یک عنصر را در یک قوس الکتریکی ، یک جرقه الکتریکی،  ویا شعله گرم کنیم نور از آنها منتشر میشود. اگر شعاعی از این نور را توسط منشور تجزیه کنیم یک طیف خطی حاصل میشود از این رو به آن طیف نشری خطی اتمی میگویند

برای بررسی چگونگی این پدیده ، اتم هیدروژن را در نظر میگیریم :

اتم هیدروژن تنها دارای یک الکترون است واین الکترون در پایین ترین مدار آن یعنی مدار اول قرار داردبه این حالت، حالت پایه می گویند. وقتی اتم هیدروزن را گرم کنیم الکترون آن تحریک شده وبا جذب انرژی از تراز پایه به تراز های بالاتر می جهد این حالت را حالت برانگیخته می گویند. ولی الکترون در تراز های بالا ناپایدار بوده و با رها کردن انرژی جذب کرده به تراز های پایین تر بر می گردد و این بار انرژی کسب کرده را  به صورت تابش بر می گرداند.

 اگر الکترون از تراز i به تراز f ارتقا  یابد به اندازه تفاوت انرژی  این دو تراز یعنی به اندازه( Ef – Ei) انرژی جذب میکند و در برگشت در صورتی که به همان تراز i برگردد همان مقدار انرژی را نشر میکند. بنابراین می توان نتیجه گرفت هرچه تفاوت انرژی دو لایه بیشتر باشد انرژی نور نشری بیشتر و طول موج آن کوتاه تر است. طول موج تابش نشر شره در انتقالات را می توان با بکار گیری فرمول زیر محاسبه کرد.

در شکل زیر کلیه انتقالات الکترونی اتم هیدروژن نشان داده شده اند چنانچه روشن است در انتقالات اتم هیدروزن چندین سری دیده میشود:

ا) سری لیمان (  ni→n1  ) : چون در این انتقالات برگشت به تراز اول صورت میگیرد. انرژی نور حاصله بسیار بالا بوده و طول موج ان به قدری کوتاه است که در منطفه فرا بنفش قرار می گیرد. از این رو سری لیمان طیف قابل دیدن ندارد.

2) سری بالمر (  ni→n2  ) : در این سری ، الکترون برانگیخته به تراز دوم بر میگردد. انرژی وطول موج مربوط به این انتقالات در محدوده مرئی بوده و طیف آن قابل دیدن است

چهار طیف مرئی در سری بالمر ناشی از انتقالات زیر هستند : (  n6→n2  )  به رنگ بنفش با  طول موج ۴۱۰ نانومتر  (  n5→n2  )  به رنگ آبی با  طول موج ۴34 نانومتر  (  n4→n2  )  به رنگ سبزبا  طول موج 486 نانومتر (  n3→n2  )  به رنگ قرمز  با  طول موج۶۵۶ نانومتر 

 3) سری پاشن (  ni→n3  )  : بر گشت الکترون به تراز سوم  میابشد. اختلاف انرژی در تراز های بالاتر کمتراست بنابراین در سری پاشن اختلاف انرژی به قدر کافی کم وطول موج به اندازه کافی بزرگ است که این انتقالات در محدوده فروسرخ قرار بگیرند از این روطیف سری پاشن هم قابل رویت نیست.

4) سری براکت (  ni→n4  ) :  برگشت به تراز چهارم است و مانند سری لیمان در محدوده فروسرخ قرار گرفته  از این رو سری براکت نیز طیف مرئی ندارد.

نکته  1:  هم در طیف نشری  و هم در طیف جذبی هر عنصر ، طول موجهای معینی وجود دارد که از ویژگیهای مشخصه آن عنصر است. یعنی طیفهای نشری  و جذبی هیچ دو عنصری مثل هم نیست.

نکته 2: اتم هر عنصر دقیقا همان طول موجهایی از نور سفید را جذب می‌کند که اگر دمای آن به اندازه کافی بالا رود و یا به هر صورت دیگر بر انگیخته شود، آنها را تابش می‌کند.

در زیر طیف نشری خطی عناصر جدول تناوبی را مشاهده می کنید