طیف جذب و گسیل

تفاوت اصلی طیف جذبی و تابشی، همانطور که از نام آن پیداست، در این است که نور را جذب و یا گسیل می‎کند. به نظر خیلی ساده می‎رسد؟ بله اما مطالب بیشتری نیز راجع به آن وجود دارد. بخش‎های بعدی این مقاله، به این مطالب می‎پردازد.
واژه "طیف" عموماً به طیف الکترومغناطیسی اشاره دارد که تمام فرکانس‎های تابش الکترومغناطیسی را دربر می‎گیرد. قبلاً این واژه تنها به نور محدود بود، اما با گذشت زمان، این مفهوم تغییر کرد و شامل تمام انواع موج، ازجمله صوت شد. محدوده طول‎موجی طیف، از یک پیکومتر تا صدها مگامتر را پوشش می‎دهد. این محدوده شامل طیف مرئی نیز می‎شود. طیف مرئی به به تمام طول‎موج‎هایی گفته می‎شود که با چشم غیرمسلح قابل دیدن باشند. طیف الکترومغناطیسی شامل انواع دیگر تابش، ازجمله، امواج رادیویی، اشعه گاما، ایکس و غیره نیز می‎شود.
از انواع دیگر طیف، می‎توان طیف انرژی، طیف جرمی، و طیف فرکانس را نام برد. ولی طیف مهمی که معمولاً به آن توجه زیادی می‎شود همان طیف گسیل و جذب است. جدای از اینکه طیف تابشی انرژی می‎دهد و در طیف جذبی، ماده انرژی نور تابیده شده را می‎گیرد، چند اختلاف دیگر نیز بین طیف تابشی و طیف جذبی وجود دارد. اجازه دهید در این قسمت به این مسأله مروری داشته باشیم.

قاعده:

وقتی انرژی، در شکل نور، گرما، و یا عوامل شیمیایی به عنصری داده می‎شود، الکترون‎های آن عنصر این انرژی را می‎گیرند و به تراز انرژی بالاتر منتقل می‎شوند. با این حال، از آنجاییکه تراز برانگیخته کاملاً ناپایدار است، برای اینکه این الکترون‎ها به تراز پایه بازگردند بایستی انرژی گسیل کنند. فرکانس‎هایی از نور که در اثر این انتقال گسیل می‎شوند همان طیف تابشی را تشکیل می‎دهند. وقتی الکترونی از حالت برانگیخته به حالت پایه منتقل می‎شود یک فوتون انرژی گسیل می‎کند. انرژی این فوتون به اختلاف بین دو تراز برانگیخته و پایه وابسته است.
الکترون‎هایی از یک عنصر، که در حالت پایه قرار دارند، می‎توانند انرژی نور تابش‎شده به عنصر را جذب کنند تا به تراز بالاتر انرژی منتقل شوند. قسمتی از نوارهای فرکانسی نوری که از این ماده عبور می‎کند پس از عبور از آن بصورت تاریک دیده می‎شود، که این نشان‎دهنده فرکانس‎های جذب شده توسط ماده است. این فرکانس‎ها همان طیف جذبی ماده را تشکیل می‎دهند.

اصول فرآیند جذب و تابش

تابش: فرآیندی است که در طی آن، ماده هنگامیکه گرم می‎شود و یا از لحاظ شیمیایی دستخوش تغییر می‎شود به محیط بیرون انرژی می‎دهد و به عبارت دیگر انرژی گسیل می‎کند. میزان انرژی گسیل شده به اجزاء تشکیل‎دهنده ماده و همچنین به میزان گرمای داده شده به ماده بستگی دارد.
جذب: فرآیندی است که در طی آن الکترون‎های یک ماده، انرژی نوری که به آن برخورد کرده است را گرفته و جذب می‎کند. ساختار اتمی و مولکولی ماده است که ترازهای جذب ماده را تعیین می‎کند. همچنین مقدار موج الکترومغناطیسی تابشی، دما، ساختار کریستالی جامد، و اندرکنش‎های داخل مولکولی نیز تعیین‎کننده هستند.

توصیف طیف:

طیف تابشی:

• طیف تابشی با مجموعه‎ای از خطوط رنگی جدای از هم نمایش داده می‎شود، که یک فضای تاریک بین آنها قرار گرفته است. این خطوط همان قسمتی از طیف هستند که گسیل در آنجا اتفاق افتاده است و فوتون‎ها گسیل شده‎اند، و فضای تاریک، قسمتی از طیف است که هیچ تابشی در آن رخ نداده و بنابراین تاریک است. تفاوت رنگ این خطوط رنگی به دلیل تفاوت انرژی ترازهای الکترونی است.
• در مورد طیف تابشی محلولهای یونی، به جای اینکه با خطوط رنگی سر و کار داشته باشیم باندهای رنگی مجزا از هم داریم، زیرا در اینجا جسم، یک ماده مرکب است که شامل اتمهای مختلف می‎باشد، که وقتی در کنار هم طیف گسیل را تشکیل می‎دهند ترکیب رنگهای مختلفی را تولید می‎کنند. اگر فرض کنیم که چشمه انرژی یا همان نور تابیده به ماده یکسان باشد، ولی عناصر تحت تابش تغییر کند، طیف گسیل به دلیل متفاوت بودن ترازهای الکترونی برانگیخته، تغییر خواهد کرد. از اینجا روشن می‎شود که چرا نور گسیل شده از عناصر مختلف متفاوت است.
• فرکانس طیف تابشی، فرکانسهای نور گسیل شده از ماده هستند که به انرژی نور وابسته‎اند. انرژی فوتون‎های گسیل‎شده با فرمول زیر به فرکانس آنها وابسته است:
E=hν
که در این فرمول E، انرژی فوتون، h، ثابت پلانک، و ν، فرکانس فوتون است.
این فرمول نشان می‎دهد که فرکانس فوتون نسبت مستقیم با انرژی آن دارد.
• طیف تابشی را می‎توان به دو بخش تقسیم کرد: طیف پیوسته و طیف گسسته. وقتی طیف به شکل یک سری خط است که با فضاهای تاریک از یکدیگر مجزا شده‎اند، به آن طیف گسسته گفته می‎شود. و هنگامی که طیف شامل محدوده وسیعی از رنگهاست که بازه طول‎موجی مشخصی دارند، به آن طیف پیوسته گویند.

طیف جذبی:

• طیف جذبی یک عنصر با یک باند رنگی که خطوط تاریک مجزا از هم در آن قرار دارد نمایش داده می‎شود. کل باند نشان‎دهنده نوری است که بر روی عنصر متمرکز شده است، و خطوط تاریک قسمتی از طیف هستند که الکترون‎های ماده فوتون‎های آن را جذب کرده‎اند، و بنابراین، در این قسمتها نور وجود ندارد. قسمت رنگی طیف نمایش‎دهنده قسمتهایی از نور تابشی به ماده است که توسط ماده جذب نشده و بنابراین بصورت رنگی در طول‎موج‎های مشخصی دیده می‎شود.
• علت وجود چنین طرحی در طیف جذبی این است که الکترون‎های یک اتم، در ترازها انرژی متفاوتی هستند. اختلاف انرژی بین ترازهای مختلف نیز متفاوت است. وقتی نوری در طول‎موج‎های مختلف بر روی ماده متمرکز شده و آن را تحت تابش قرار می‎دهد، هر الکترون، تنها فوتونی را که انرژی آن برابر با این اختلاف انرژی باشد جذب می‎کند و بقیه فوتون‎ها جذب نخواهند شد و پراکنده می‎شوند. این خطوط تاریک دقیقاً با خطوط رنگی در طیف گسیل ماده مطابق است.
• طیف جذبی را می‎توان برحسب فرکانس، طول‎موج، و یا عدد موج اندازه‎گیری کرد.
• دو نوع طیف جذبی وجود دارد. طیف جذبی اتمی و طیف جذبی مولکولی. طیف جذبی اتمی وقتی بدست می‎آید که اتم‎های منفرد آزاد (که عموماً گازها هستند)، طول‎موج نور را جذب کنند. از سوی دیگر، طیف جذبی مولکولی وقتی دیده می‎شود که مولکول‎های یک ماده طول‎موج نور را جذب کنند. معمولاً طیف جذبی مولکولی در ناحیه مرئی و یا ماوراءبنفش است.

کاربردهای متداول طیف تابشی و جذبی:

به مطالعه طیف یک ماده، اسپکتروسکوپی یا طیف‎سنجی گفته می‎شود. این مطالعات در جهت بررسی‎های بیشتر در جهت شناخت خصوصیات ماده انجام می‎شود. هردوی اسپکتروسکوپی جذبی و تابشی در این مورد استفاده می‎شوند.

طیف تابشی:

• برای تعیین یک ماده: هر ماده نور را در طول‎موج‎های مختلفی گسیل می‎کند. برای تعیین نوع ماده نور روی آن متمرکز شده و یا ماده گرم می‎شود. این کار باعث می‎شود که الکترون‎ها، برانگیخته شده و به مدارهای بالاتر جهش کنند. انرژیی که این الکترون‎ها هنگام بازگشت به تراز پایه خود گسیل می‎کنند، را می‎توان با مشخصه‎های رنگی عناصر مقایسه نمود و بدین ترتیب ترکیبات شیمیایی ماده را تعیین کرد.
• برای مطالعه ترکیبات ستارگان: طیف تابشی ستارگان ثبت شده و سپس با طیف‎های تابشی استاندارد که از عناصر شناخته‎شده بدست آمده‎اند مقایسه می‎شود تا ترکیبات ستاره مشخص گردد.

طیف جذب:

• برای مشخص کردن نوع یک ماده و تعیین غلظت آن: ترکیبات یک ماده ناشناخته را می‎توان با متمرکز کردن نوری با طول‎موج مشخص به آن و مطالعه طیف جذبی ماده تعیین کرد. از آنجاییکه ماده تنها طول‎موج‎های مشخص، و یا محدوده طول‎موجی مشخصی را جذب می‎کند، طول‎موج نوری که به آن می‎تابد مهم است. این طیف جذبی را می‎توان با مجموعه‎ای از مقادیر مرجع مقایسه نمود. این مقادیر مرجع، به طول‎موج‎های جذبی عناصر و ترکیبات شناخته شده مربوط می‎شود. غلظت ماده را نیز می‎توان با کمک این مقایسه تعیین کرد.
• برای مطالعه ترکیبات ستارگان: نوری که از ستاره‎ها و سیارات گسیل می‎شود از لایه اتمسفر اطراف آنها عبور می‎کند و درنتیجه بخشی از آن توسط گازهای موجود در اتمسفر جذب می‎شود. اگر طیف جذبی این گازها ثبت شده و با مقادیر مرجع خطوط جذبی گازها مقایسه گردد، ترکیبات ستاره‎ها و سیارات مشخص می‎شود.
• کسب اطلاعات از راه دور: می‎توان از اسپکتروسکوپی جذبی برای کسب اطلاعاتی راجع به زمین‎ها، و جمع‎آوری جزئیاتی مانند نوع و میزان پوشش گیاهی، و سطوح سنگی و همچنین سلامت جنگل‎ها استفاده کرد، بدون آنکه لازم باشد به این زمین‎ها قدم گذاشت. وقتی نور به زمین تابیده و طیف جذبی آن ثبت می‎شود، می‎توان از این طیف جذبی برای استخراج اطلاعات راجع به آن زمین استفاده کرد. این کار با کمک مقایسه داده‎ها و مقادیر موجود با مقادیر مرجعی که مربوط به طیف جذبی از زمینی با پوشش جنگلی و همچنین طیف جذبی از زمینی با پوشش سنگی است انجام می‎شود. در واقع مقادیر جذبی بسته به اینکه نوع پوشش زمین چه چیزی باشد تغییر می‎کند. اگر پوشش گیاهی سالم باشد درمقایسه با هنگامی که ناسالم است، طیف جذبی متفاوتی دارد. با کمک این طیف می‎توان اطلاعاتی راجع به ترکیبات جوی نیز بدست آورد.
طیف‎نگاری جذبی و طیف‎نگاری تابشی دقیقاً مقابل یکدیگرند. به دلیل اینکه آرایش عناصر با یکدیگر متفاوت هستند، مقادیر مربوط به طیف این عناصر در واقع "اثر انگشت" آنها است، به این معنی که برای هر عنصری یکتا و منحصر به فرد بوده و مشخصه همان عنصر است. می‎توان گفت که طیف جذبی، برعکس طیف تابشی است؛ زیرا دقیقاً همان خطوطی که در طیف جذبی حذف شده‎اند در طیف گسیل دیده می‎شوند.