تعريف الطيف المرئي

الطيف هو النمط الذي ينتج بعد تفريق الضوء المركب بواسطة نظام تشتيت (مثل المنشور أو محزوز الحيود)، حيث تُرتَّب الأضواء أحادية اللون الناتجة عن التشتيت ترتيبًا متتاليًا حسب الطول الموجي (أو التردد). وفيما يلي تعريف الطيف ومبدأ تكوّنه وتصنيفه وتطبيقاته بالتفصيل:

التعريف

الطيف هو نمط توزيعي للإشعاع الكهرومغناطيسي مرتَّب بشكل منظم حسب الطول الموجي أو التردد. وهو يعكس معلومات البنية والحركة الداخلية للمادة، ويُعد وسيلة مهمة لدراسة العالم الميكروي للمادة.

مبدأ التكوّن

• طيف الانبعاث: عندما تكون الذرات أو الجزيئات أو الأيونات في حالة إثارة، فإنها تنتقل إلى مستويات طاقة أدنى وتُحرِّر الطاقة على شكل فوتونات. وتقابل كل انتقالات مختلفة بين مستويات الطاقة فوتونات ذات ترددات (أو أطوال موجية) مختلفة، وبذلك يتكوّن طيف الانبعاث. على سبيل المثال، الضوء بألوانه المتنوعة الذي تصدره لافتات النيون عند توصيلها بالكهرباء ناتج عن إثارة ذرات الغاز داخل الأنبوب وتوليد طيف انبعاث.
• طيف الامتصاص: عندما يمر طيف متصل عبر مادة ما، تمتص الذرات والجزيئات في المادة فوتونات ذات ترددات محددة، مما يؤدي إلى امتصاص أطوال موجية معينة من الطيف المتصل وظهور خطوط أو نطاقات داكنة، فيتكوّن طيف الامتصاص. على سبيل المثال، الخطوط الداكنة في طيف الشمس تنشأ عندما يمر الطيف المتصل المنبعث من داخل الشمس عبر الغلاف الجوي الشمسي فيُمتص بواسطة العناصر المختلفة الموجودة في الغلاف الجوي.

التصنيف

التصنيف حسب طريقة التكوّن

• طيف الانبعاث
  • الطيف المتصل: يشمل جميع الأطوال الموجية من حد أدنى للموجات القصيرة إلى حد أقصى للموجات الطويلة، وينتج عن إضاءة الأجسام الصلبة أو السائلة أو الغازات ذات الضغط العالي المتوهجة. على سبيل المثال، الضوء المنبعث من فتيل المصباح المتوهج هو طيف متصل.
  • طيف الخطوط اللامعة: يتكون من خطوط لامعة غير متصلة، وهذه الخطوط اللامعة تقابل أطوالاً موجية محددة للضوء، وتنتج عن إضاءة غاز رقيق أو بخار معدني. لكل عنصر طيف خطوط لامعة خاص به يشبه بصمة الإنسان، لذلك يمكن تحديد العناصر الموجودة في المادة من خلال تحليل طيف الخطوط اللامعة.
• طيف الامتصاص: تظهر على خلفية الطيف المستمر بعض الخطوط أو الأشرطة الداكنة، وهذه الخطوط أو الأشرطة الداكنة تقابل أطوالاً موجية محددة للضوء تمتصها المادة. يمكن أيضاً استخدام طيف الامتصاص لتحليل مكونات المادة، لأن أطياف الامتصاص لعناصر مختلفة تقابل أطياف انبعاثها تقابلاً واحداً بواحد.

التصنيف حسب طبيعة الطيف وخصائصه

• الطيف تحت الأحمر: يتراوح نطاق الطول الموجي بين 0.76μm و1000μm، ويُستخدم بشكل رئيسي لدراسة انتقالات مستويات الطاقة الاهتزازية والدورانية للجزيئات. في التحليل الكيميائي، يمكن استخدام الطيف تحت الأحمر لتحديد بنية المركبات العضوية والمجموعات الوظيفية؛ وفي المجال الطبي، يمكن استخدام الطيف تحت الأحمر لتشخيص الأمراض ومراقبتها.
• الطيف المرئي: يتراوح نطاق الطول الموجي بين 380nm و760nm، وهو منطقة الطيف التي يمكن للعين البشرية رؤيتها مباشرة. تقابل الأطوال الموجية المختلفة ألواناً مختلفة، من الموجات القصيرة إلى الطويلة بالترتيب: البنفسجي، الأزرق، السماوي، الأخضر، الأصفر، البرتقالي، الأحمر.
• الطيف فوق البنفسجي: يتراوح نطاق الطول الموجي بين 10nm و380nm، ويُستخدم بشكل رئيسي لدراسة الانتقالات الإلكترونية للجزيئات. في الكيمياء العضوية، يمكن استخدام الطيف فوق البنفسجي للكشف عن الأنظمة المترافقة والمركبات العطرية؛ وفي علم الأحياء، يمكن استخدام الطيف فوق البنفسجي للتحليل الكمي للحمض النووي DNA والبروتينات.
• طيف الأشعة السينية: يتراوح نطاق الطول الموجي بين 0.01nm و10nm، وينتج عن اصطدام إلكترونات عالية السرعة بهدف معدني. لطيف الأشعة السينية تطبيقات واسعة في علوم المواد والتشخيص الطبي وتحليل البنية البلورية وغيرها من المجالات.
• طيف الموجات الدقيقة: يتراوح نطاق الطول الموجي بين 1mm و1m، ويُستخدم بشكل رئيسي لدراسة انتقالات مستويات الطاقة الدورانية للجزيئات والرنين البارامغناطيسي وغيرها. في مجال الاتصالات، يُستخدم طيف الموجات الدقيقة في اتصالات الأقمار الصناعية والرادار وغيرها من التقنيات.

التطبيقات

المراقبة البيئية: يمكن استخدام تقنية التحليل الطيفي لمراقبة الملوثات في الغلاف الجوي والمياه والتربة. على سبيل المثال، يمكن استخدام مطيافية الامتصاص المرئي فوق البنفسجي لمراقبة أيونات المعادن الثقيلة والملوثات العضوية في المياه؛ ويمكن استخدام تقنية مطيافية رامان للمراقبة الفورية للغازات الضارة في الغلاف الجوي. finibus, orci in vestibulum efficitur, urna sapien mattis tortor.

علم الفلك: من خلال تحليل أطياف الأجرام السماوية، يمكن لعلماء الفلك معرفة معلومات مثل التركيب الكيميائي ودرجة الحرارة والكثافة وسرعة الحركة لهذه الأجرام. على سبيل المثال، من خلال تحليل طيف الشمس، اكتشف العلماء أن الشمس تحتوي على عناصر مثل الهيدروجين والهيليوم.

التحليل الكيميائي: يُعد التحليل الطيفي أحد الطرق الشائعة في التحليل الكيميائي، ويمكن استخدامه للتحليل النوعي والكمي لمكونات المواد. على سبيل المثال، يمكن لمطيافية الامتصاص الذري قياس محتوى العناصر المختلفة في العينات بدقة؛ ويمكن استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحديد بنية المركبات العضوية.

التشخيص الطبي: في المجال الطبي، تُستخدم تقنية التحليل الطيفي على نطاق واسع في تشخيص الأمراض وعلاجها. على سبيل المثال، يمكن استخدام تقنية مطيافية الفلورة المحفزة بالليزر لتشخيص السرطان في مراحله المبكرة؛ ويمكن استخدام تقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة لمراقبة محتوى الأكسجين في الدم في أنسجة الجسم.