طیف نشری چیست؟ نحوه تشکیل و کاربرد های آن چگونه است؟

طیف نشری (Emission Spectrum) به طیفی گفته می شود که در آن پرتوهای نور به دلیل انتقال الکترون از سطح با انرژی بالاتر به سطح با انرژی پایین تر گسیل می شوند. این طیف خود به دو طیف نشری پیوسته و خطی تقسیم می شود. طیف نشری هر ماده طول موج و یا فرکانس مشخصی دارد.

از مهم ترین کاربرد های طیف نشری می توان به آنالیز آلیاژها، تعیین میزان برخی عناصر در بدن مانند میزان کلسیم، مس و روی در خون، وجود روی در بافت پانکراس و تعیین میزان عناصر موجود در نفت خام اشاره کرد. از آن جا که طیف نشری خطی هر ماده منحصر به فرد است، برای شناسایی و آنالیز مواد کاربرد دارد.

در این مقاله از نشریه علمی جهان شیمی به بررسی طیف نشری، انواع آن، نحوه تشکیل و کاربرد های آن می پردازیم.

انواع طیف

به طور کلی طیف ها به دو گروه اصلی طیف جذبی و طیف نشری تقسیم می شوند. در ادامه به بررسی هر یک از آن ها می پردازیم.

طیف جذبی چیست

هنگامی که به یک ماده نور تابیده می شود، بخشی از آن جذب و بخشی دیگر از آن عبور می کند. اگر نور عبوری از منشور بگذرد طیف جذبی ایجاد می کند. به بیانی دیگر، وقتی دریک اتم الکترون ها از سطح انرژی پایین یا حالت پایه به سطح انرژی بالاتر می رود انرژی جذب می کند. به این ترتیب، به طیف آن ها طیف جذبی اتم گفته می شود.

طیف جذبی می تواند به صورت پیوسته و یا خطی باشد. طول موج های جذب شده در طیف جذبی به صورت خط های تاریک در زمینه ی روشن دیده می شود.

طیف نشری چیست

بر خلاف طیف جذبی، اگر به ماده ای حرارت دهیم از خود نور منتشر می کند. این نور با عبور از منشور طیف نشری ایجاد می کند. به بیانی دیگر، در بازگشت الکترون های اتم در حالت برانگیخته از تراز انرژی بالا به تراز انرژی پایین یا حالت پایه، انرژی آزاد می شود. در نتیجه طیفی تولید می کند که به آن طیف نشری اتم گفته می شود.

طیف نشری به دو صورت پیوسته و خطی وجود دارد. طول موج های تابشی در طیف نشری به صورت خط های روشن در زمینه ی تاریک دیده می شود.

طیف نشری پیوسته چست

اگر نور سفید از منشور عبور کند طیفی تشکیل می دهد که شامل تمام طول موج های نور مرئی است. به این ترتیب، نوارهای رنگی از کناره باهم آمیزش پیدا کرده و مانند یک رنگین کمان پیوسته، رنگ ها کنار هم قرار می گیرند. چنین طیفی، طیف نشری پیوسته نامیده می شود.

چنانچه جامدات گرم شوند و یا به شکل مذاب درآیند، از خود طیفی گسیل می کنند که رنگ خاصی دارد. این طیف برای تشخیص عناصر از یکدیگر نیست. زیرا، این طیف برای تمام مواد به یک شکل است. به عنوان مثال وقتی آهن گرم می شود اول به رنگ قرمز، سپس نارنجی و بعد سفید دیده می شود.

با گذشت زمان و افزایش بیشتر دما، رنگ تغییری نکرده و فقط شدت نور در جاهای مختلف زیاد می شود. در نتیجه طیف نور مرئی که از ناحیه قرمز تا بنفش در دماهای مختلف ایجاد می شود، عناصر مختلف را از هم تفکیک می کند.

طیف نشری خطی چیست

این طیف از نور تابیده شده از تبخیر عنصرها تشکیل می شود. این طیف بر خلاف طیف پیوسته از خط های رنگی جدا تشکیل شده است. به همین دلیل، به آن طیف خطی گفته می شود.

بر خلاف طیف نشری پیوسته، این طیف برای هر عنصری مجزا است. در ضمن همه طول موج ها را شامل نمی شود. به همین دلیل، طیف نشری هیچ کدام از عناصر شبیه هم نیست. در این نوع طیف، بین طول موج ها نوارهای تیره دیده می شود.

طیف نشری خطی منحصر به فرد است

طیف نشری خطی مانند اثر انگشت هر انسانی خاص است. از این رو، هیچ دوعنصری را نمی توان یافت که طیف نشری خطی یکسان داشته باشند. زیرا، هر کدام از عناصر اختلاف انرژی دو تراز آن ها به هیچ عنوان یکی نیست.

از این ویژگی می توان برای شناسایی عناصر استفاده کرد. به عنوان مثال هنگامی که انتقال الکترون از تراز سوم به تراز دوم در دو عنصر مختلف داریم، چون عدد اتمی در عنصرها و اختلاف انرژی دو تراز انرژی در آن ها متفاوت است، پس خطوط طیفی ظاهر شده با طول موج خاصی ظاهر می شود. به همین دلیل، طیف خطی نشری برای عناصر مختلف به شکل های مختلفی دیده می شود.

تفاوت طیف نشری و جذبی در چیست

برای داشتن طیف جذبی، پرتوهای نور منبعی داغ با چگالی زیاد از نمونه گازی عبور داده می شود. در این فرایند برخی از پرتوهای نور توسط نمونه جذب می شوند. با عبور نور از منشور، اجزا جذب شده در طیف پیوسته به شکل خطوطی سیاه رنگ دیده می شوند.

چرا طیف های نشری مهم هستند

همان طور که گفته شد، طیف نشری برای هر عنصر منحصر به فرد است. به این ترتیب، می توان از این ویژگی برای شناسایی عناصر استفاده کرد.

طیف نشری چه کاربردهایی دارد

طیف نشری برای آنالیز آلیاژها، تعین میزان برخی عناصر در بدن مانند میزان کلسیم، مس و روی در خون، وجود روی در بافت پانکراس و تعیین میزان عناصر موجود در نفت خام کاربرد دارد.

روش های آنالیز مواد بر پایه طیف نشری

برخی از روش های آنالیز مواد که بر پایه طیف نشری بنا شده‌اند عبارتند از:

• طیف سنجی نشری
• طیف سنجی نشر اتمی
• طیف بینیانتشار اتمی پلاسمای جفت شده القایی (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy | ICP-AES)
• طیف بینی فوتوالکترون پرتو ایکس (X-ray Photoelectron Spectroscopy | XPS)
• طیف بینی فروشکست القایی لیزری (Laser-induced Breakdown Spectroscopy | LIBS)
• طیف بینی فلورسانس (Fluorescence Spectroscopy)

طیف سنجی نشری چیست

در طیف‌سنجی نشری (Emission Spectrometry) پرتوهای تابش شده از اتم ها و مولکول ها را هنگام انتقال به سطوح با انرژی پایین تر را با توجه به طول موجی که دارند مورد مطالعه و بررسی قرار می دهد. همه پرتوهای نور تابش شده هنگام انتقال در ناحیه مرئی قرار ندارند. برخی از این پرتوها در نواحی فرابنفش و فروسرخ هستند.

با گرم کردن عناصر و ترکیبات مختلف توسط شعله یا قوس الکتریکی، نور از آن ها ساطع می شود. با تجزیه این نور و آنالیز آن توسط دستگاه طیف سنج، طیفی خطی به دست می آید.

طیف بین (Spectroscope) یا طیف سنج (Spectrometer) ابزاری است که برای جداسازی اجزا نور بر اساس طول موج های آن مورد استفاده قرار می گیرد. منحصر به فرد بودن این خطوط طیفی نشان دهنده این است که از هر عنصر تنها انرژی مشخصی می تواند تابش شود.

این ویژگی برای شناسایی و تعیین ترکیبات یک ماده مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از طیف سنجی نجومی و آنالیز نور دریافتی از ستارگان، می توان ماهیت آن ها را مشخص کرد. علاوه بر این، با استفاده از طول موج های مشخص هر عنصر، می توان عناصر موجود در یک ترکیب را شناسایی کرد.

طیف سنجی نشر اتمی چیست

طیف‌سنجی نشر اتمی (Atomic Emission Spectroscopy | AES) با توجه به شدت نور شعله برای تعیین مقدار عناصر در نمونه مورد استفاده قرار می گیرد. طول موج طیف هویت عنصر و شدت نور آن، میزان یا مقدار یک عنصر در ترکیب را نشان می دهد.

برای این منظور، نمونه به شکل گاز روی شعله اسپری و یا به طور مستقیم با استفاده از سیمی پلاتینی داخل شعله قرار می گیرد. با گرم شدن حلال، پیوندهای مولکولی ترکیب شکسته می شوند. به این ترتیب، اتم ها به صورت آزاد در آمده و با گرفتن گرمای بیشتر، برانگیخته می شوند.

طیف نشری خطی چه کاربرد هایی دارد

از این ویژگی اتم ها در دو روش طیف سنجی زیر برای تعیین کمی و همچنین غلظت یک عنصر خاص استفاده می شود. از قانون بیر-لامبرت (Beer-Lambert law) برای ارتباط جذب و غلظت آنالیت مورد نظر استفاده می شود.

• طیف بینی جذب اتمی (Atomic Absorption Spectroscopy | AAS)
• طیف بینی نشر اتمی (Atomic Emission Spectroscopy | AES)

این روش ها در پژوهش های داروشناسی  (Pharmacology)، بیوفیزیک، باستان شناسی و سم شناسی کاربرد دارند. طیف بینی جذب اتمی نیز در زمینه های گوناگون شیمی مانند آنالیز بالینی فلزات در مایعات و آنالیز کمی و کیفی در بافت های زیستی بدن کاربرد دارد.

نکته

خطوط این طیف ها به دما و چگالی مواد نیز بستگی دارد. در اخترشناسی با استفاده از دانش اخترشیمی برای تعیین شرایط فیزیکی ستارگان و اجرام آسمانی از این ویژگی استفاده می شود. علاوه بر این، میزان انرژی فوتون های گسیل شده نیز به نوع و شرایط ماده بستگی دارد.

نحوه تشکیل طیف نشری خطی عناصر

در اثر حرارت دادن اجسام، طیف پیوسته‌ای از آن تابش می شود. هنگامی که تنها عنصری گرم شود، طیف مشاهده شده از آن متفاوت خواهد بود. چنانچه ولتاژ بالایی بر لوله تخلیه حاوی گاز هیدروژن با فشار کم اعمال شود، نور قرمز رنگی از آن ساطع خواهد شد.

با عبور این نور از منشور به جای طیفی پیوسته از طول موج ها، خطوطی با طول موج های مشخص مشاهده می شود. به این خطوط، طیف نشری خطی (Line Spectrum) گفته می ‌شود.

نحوه برانگیختن اتم یا مولکول جهت طیف نشری

• نمک ها را بیشتر در معرض شعله قرار می دهند (طیف شعله).
• مواد گازی را تخلیه الکتریکی (طیف تخلیه) می کنند.
• فلزات و مواد جامد را گرما می دهند تا ملتهب شوند (طیف جسم ملتهب).
• فلزات قلیایی و قلیایی خاکی را د ر مجاورت گرمای حاصل از کمان الکتریکی قرار می دهند (طیف جرقه).

خصوصیات لامپ های گسیل خطی

این لامپ ها به صورت لوله های باریک شیشه‌ای است که درون آن ها گاز رقیق در فشار کم وجود دارد. در لوله دو الکترود کاتد و آند قرار دارد. اگر بین دو الکترود ولتاژ بالایی اعمال شود، اتم های گاز رقیق شروع به گسیل نور می کنند.

نور گسیل شده از بخار عنصرهای متفاوت با یکدیگر تفاوت دارند. به عنوان مثال، نور حاصل از بخار جیوه به رنگ نیلی-آبی است. هنگامی که نور از بخار مایعات عبور می کند، یک خط فرانهوفر در طیف دیده می شود. این خط ناشی از جذب آن فرکانس توسط بخار مایع است.

دلیل تفاوت طیف نشری خطی هر عنصر چیست

طیف نشری خطی نتیجه انتقال الکترون های برانگیخته عناصر به سطوح پایدارتر است. از آن جایی که هر عنصر ساختار الکترونی متفاوتی دارد، در نتیجه طیف نشری خطی متفاوتی هم ایجاد می کند.

بررسی طیف نشری هیدروژن

نیلز بور نخستین فردی بود که طیف نشری هیدروژن را شرح داد. بر اساس مدل اتمی بور، الکترون تنها می تواند در سطوح انرژی مشخصی قرار گرفته و به دور هسته چرخش کند. همچنین انرژی الکترون به شکل کوانتیده (Quantized) است.

هر چه الکترون از هسته دورتر باشد انرژی بیشتری دارد. در نتیجه برای جدا کردن الکترون های نزدیک تر به هسته، به میزان انرژی بیشتری نیاز است. در این مدل دلیل تابش نور اتم های هیدروژن پرانرژی، به انتقال الکترون های پرانرژی تر در مدار یا مدار های بالاتر به مدار پایین تر و کاهش انرژی آن نسبت داده می شود.

نحوه تشکیل طیف نشری هیدروژن

برای این منظور، نمونه به شکل گاز در لوله تخلیه که از دو سمت به دو الکترود وصل است قرار می گیرد. با برقراری جریان الکتریکی و حرکت الکترون ها از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت، با نمونه برخورد می کند. این کار موجب تابش نور توسط اتم های گاز می شود.

نور تابیده شده با عبور از شکاف و برخورد با منشور تجزیه می شود. پرتو نور یک بار هنگام ورود به منشور از محیط رقیق مانند هوا به محیط غلیظ مانند منشور و یک بار هنگام خروج از آن می شکند. به این ترتیب، اجزا با توجه به طول موجی که دارند در خطوط مشخصی قرار می گیرند.

طیف به دست آمده از تجزیه نور، طیفی از رنگ های قرمز تا بنفش است. هر چه طول موج کم رنگ تر باشد، آن رنگ انحراف بیشتری دارد. رنگ هایی با طول موج بیشتر نیز انحراف کمتری دارند. در طیف نشری خطی هیدروژن همراه با طول موج های آن، رنگ قرمز با انحراف کمتر، طول موج بیشتر و رنگ بنفش با انحراف بیشتر، طول موج کمتری دارد.

بررسی خطوط طیفی هیدروژن

در طیف نشری، هر انتقال الکترون، خط مشخصی دارد. سطوح انرژی که با نقاط شروع و پایان یک خط مشخص می شود با خط دیگر متفاوت است. میزان روشنی و تاری هر خط در طیف نشری خطی، به تعداد فوتون های گسیل شده با فرکانس و طول موج یکسان بستگی دارد.

سری های طیف نشری هیدروژن

همه انتقال‌هایی که الکترون هیدروژن ممکن است داشته باشد با مطالعه تعداد زیادی از اتم های این عنصر به دست آمده است. طیف نشری هیدروژن طول موج هایی از فروسرخ تا فرابنفش را شامل می شود. خطوط بر اساس نام کاشف آن‌ها نامگذاری شده‌اند.

• سری لیمان (Lyman Series): مقدار n = ۱ است و خطوط در ناحیه فرابنفش قرار دارند.
• سری بالمر (Balmer Series): مقدار n = ۲ است و خطوط در ناحیه فرابنفش و مرئی قرار دارند.
• سری پاشن (Paschen Series): مقدار n = ۳ است و خطوط در ناحیه فروسرخ قرار دارند.
• سری براکت (Brackett Series): مقدار n = ۴ است.
• سری فوند (Pfund Series): مقدار n = ۵ است.
• سری هامفریز (Humphreys Series): مقدار n =۶ است.