كيف يساعد التحليل الطيفي في تحديد العناصر؟

خلال القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، امتلك العلماء الأدوات اللازمة لإجراء بعض القياسات المعقدة جدًا على الضوء. على سبيل المثال ، يمكنهم تسليط الضوء من خلال منشور أو ارتداده عن شبكة مقززة وتقسيم الضوء الوارد إلى جميع ألوانه. سينتهي بهم الأمر مع صورة لشدة مصدر الضوء بجميع الألوان المختلفة. يسمى انتشار الألوان هذا بالطيف ، وكان العلماء الذين فحصوا تلك الأطياف مرتبكين قليلاً بانتشار الألوان التي رأوها. شهدت العقود الأولى من القرن العشرين قفزة كبيرة في الفهم. يفهم العلماء الآن كيف يمكن استخدام التحليل الطيفي لتحديد العناصر والمركبات.

يحتوي الضوء على طاقة. إذا كانت الذرة تحتوي على طاقة إضافية ، فيمكنها التخلص منها عن طريق إرسال حزمة صغيرة من الضوء ، تسمى الفوتون. وهي تعمل أيضًا في الاتجاه المعاكس: إذا اقترب فوتون من ذرة يمكنها استخدام بعض الطاقة الإضافية ، فيمكن للذرة امتصاص الفوتون. عندما بدأ العلماء في قياس الأطياف بدقة لأول مرة ، كان أحد الأشياء التي أربكتهم هو أن العديد من الأطياف كانت غير متصلة. أي عندما تم حرق الصوديوم ، لم يكن طيفه انتشارًا سلسًا للضوء الأصفر - كان عبارة عن شريطين مميزين ، شريطين صغيرتين من اللون الأصفر. وكل ذرة أخرى بنفس الطريقة. يبدو الأمر كما لو أن الإلكترونات في الذرات يمكنها فقط امتصاص وإصدار نطاق ضيق جدًا من الطاقات - واتضح أن هذا هو الحال تمامًا.

إن اكتشاف أن الإلكترونات في الذرة يمكنها فقط إصدار وامتصاص مستويات طاقة معينة هو جوهر مجال ميكانيكا الكم. يمكنك التفكير في هذا كما لو كان الإلكترون على سلم من نوع ما حول نواة ذرته. كلما كان السلم أعلى ، زادت الطاقة - ولكن لا يمكن أبدًا أن تكون بين درجات السلم ، يجب أن تكون في خطوة أو أخرى. هذه الخطوات تسمى مستويات الطاقة. لذلك ، إذا كان الإلكترون في مستوى طاقة مرتفع ، فيمكنه التخلص من الطاقة الزائدة عن طريق الانخفاض إلى أي من المستويات الأدنى - ولكن ليس في أي مكان بينهما.

تبقى الذرة معًا لأن النواة في مركزها مشحونة إيجابًا والإلكترونات السالبة الشحنة. تجذب الشحنات المعاكسة بعضها البعض ، لذلك تميل الإلكترونات إلى البقاء بالقرب من النواة. لكن قوة السحب تعتمد على عدد الشحنات الموجبة في النواة وعلى عدد الشحنات الأخرى تدور الإلكترونات حولها ، نوعًا ما يمنع الإلكترونات الخارجية من الشعور بسحب الموجب نواة. لذا فإن مستويات الطاقة في الذرة تعتمد على عدد البروتونات الموجودة في النواة وعدد الإلكترونات التي تدور حول النواة. ولكن عندما تحتوي الذرة على عدد مختلف من البروتونات والإلكترونات ، فإنها تصبح عنصرًا مختلفًا.

نظرًا لأن كل عنصر يحتوي على عدد مختلف من البروتونات في النواة ، يكون مستوى الطاقة لكل عنصر فريدًا. يمكن للعلماء استخدام هذه المعلومات بطريقتين رئيسيتين. أولاً ، عندما تحصل مادة ما على طاقة إضافية - كما هو الحال عند وضع الملح في اللهب - فغالبًا ما تتخلص العناصر الموجودة في المادة من تلك الطاقة عن طريق إصدار ضوء يسمى طيف الانبعاث. ثانيًا ، متى سفرة خفيفة من خلال غاز ، على سبيل المثال ، يمكن للغاز أن يمتص بعضًا من ذلك الضوء - وهذا طيف امتصاص. في أطياف الانبعاث ، ستظهر الخطوط الساطعة المقابلة للاختلاف بين مستويات طاقة العناصر ، حيث ستكون الخطوط مظلمة في طيف الامتصاص. من خلال النظر إلى نمط الخطوط ، يمكن للعلماء معرفة مستويات الطاقة للعناصر في العينة. نظرًا لأن كل عنصر له مستويات طاقة فريدة ، يمكن أن تساعد الأطياف في تحديد العناصر في العينة.