5.3: التحليل الطيفي في علم الفلك
- Page ID
- 197307
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف خصائص الضوء
- اشرح كيف يتعلم علماء الفلك تكوين الغاز من خلال فحص خطوطه الطيفية
- ناقش الأنواع المختلفة من الأطياف
يحمل الإشعاع الكهرومغناطيسي الكثير من المعلومات حول طبيعة النجوم والأشياء الفلكية الأخرى. ولكن لاستخراج هذه المعلومات، يجب أن يكون علماء الفلك قادرين على دراسة كميات الطاقة التي نتلقاها بأطوال موجية مختلفة من الضوء بتفاصيل دقيقة. دعونا نفحص كيف يمكننا القيام بذلك وما يمكننا تعلمه.
خصائص الضوء
يُظهر الضوء بعض السلوكيات المهمة لتصميم التلسكوبات والأدوات الأخرى. على سبيل المثال، يمكن أن ينعكس الضوء من السطح. إذا كان السطح أملسًا ولامعًا، كما هو الحال مع المرآة، يمكن حساب اتجاه شعاع الضوء المنعكس بدقة من معرفة شكل السطح العاكس. ينثني الضوء أيضًا أو ينكسر عندما ينتقل من نوع من المواد الشفافة إلى نوع آخر - على سبيل المثال، من الهواء إلى العدسة الزجاجية.
انعكاس الضوء وانكساره هي الخصائص الأساسية التي تجعل من الممكن استخدام جميع الأدوات البصرية (الأجهزة التي تساعدنا على رؤية الأشياء بشكل أفضل) - من النظارات إلى التلسكوبات الفلكية العملاقة. هذه الأدوات هي عمومًا مجموعات من العدسات الزجاجية، التي تنحني الضوء وفقًا لمبادئ الانكسار، والمرايا المنحنية، التي تعتمد على خصائص الانعكاس. تستخدم الأجهزة البصرية الصغيرة، مثل النظارات أو المناظير، العدسات بشكل عام، بينما تعتمد التلسكوبات الكبيرة بالكامل تقريبًا على المرايا لعناصرها البصرية الرئيسية. سنناقش الأدوات الفلكية واستخداماتها بشكل كامل في الأدوات الفلكية. في الوقت الحالي، ننتقل إلى سلوك آخر للضوء، وهو سلوك ضروري لفك تشفير الضوء.
في عام 1672، في الورقة الأولى التي قدمها إلى الجمعية الملكية، وصف السير إسحاق نيوتن تجربة سمح فيها لضوء الشمس بالمرور عبر ثقب صغير ثم عبر المنشور. وجد نيوتن أن ضوء الشمس، الذي يبدو أبيضًا بالنسبة لنا، يتكون بالفعل من مزيج من جميع ألوان قوس قزح (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
\(\PageIndex{1}\)يوضح الشكل كيفية فصل الضوء إلى ألوان مختلفة باستخدام المنشور - قطعة زجاجية على شكل مثلث بأسطح منكسرة. عند دخول أحد أوجه المنشور، ينكسر مسار الضوء (ينحني)، ولكن لا تنحني جميع الألوان بنفس المقدار. يعتمد انحناء الشعاع على الطول الموجي للضوء بالإضافة إلى خصائص المادة، ونتيجة لذلك، يتم ثني الأطوال الموجية المختلفة (أو ألوان الضوء) بكميات مختلفة وبالتالي تتبع مسارات مختلفة قليلاً عبر المنشور. ينحني الضوء البنفسجي أكثر من الأحمر. هذه الظاهرة تسمى التشتت وتشرح تجربة قوس قزح لنيوتن.
عند ترك الوجه المقابل للمنشور، ينحني الضوء مرة أخرى ويتشتت أكثر. إذا كان الضوء الخارج من المنشور مركّزًا على الشاشة، فإن الأطوال الموجية أو الألوان المختلفة التي يتكون منها الضوء الأبيض تصطف جنبًا إلى جنب تمامًا مثل قوس قزح (الشكل\(\PageIndex{2}\)). (في الواقع، يتكون قوس قزح من تشتت الضوء من خلال قطرات المطر؛ انظر مربع ميزات قوس قزح.) نظرًا لأن مجموعة الألوان هذه عبارة عن طيف من الضوء، فإن الأداة المستخدمة لتفريق الضوء وتشكيل الطيف تسمى مقياس الطيف.
قيمة الأطياف النجمية
عندما وصف نيوتن قوانين الانكسار والتشتت في البصريات، ولاحظ الطيف الشمسي، كل ما استطاع رؤيته هو مجموعة متواصلة من الألوان. إذا كان طيف الضوء الأبيض من الشمس والنجوم مجرد قوس قزح مستمر من الألوان، فلن يهتم علماء الفلك بالدراسة التفصيلية لطيف النجوم بمجرد أن يتعلموا متوسط درجة حرارة سطحه. ولكن في عام 1802، قام ويليام ولاستون ببناء مطياف محسّن يتضمن عدسة لتركيز طيف الشمس على الشاشة. باستخدام هذا الجهاز، رأى وولاستون أن الألوان لم تنتشر بشكل موحد، ولكن بدلاً من ذلك، كانت بعض نطاقات الألوان مفقودة، حيث ظهرت كنطاقات داكنة في الطيف الشمسي. وعزا خطأ هذه الخطوط إلى الحدود الطبيعية بين الألوان. في عام 1815، وجد الفيزيائي الألماني جوزيف فراونهوفر، بعد فحص أكثر دقة للطيف الشمسي، حوالي 600 خط داكن (ألوان مفقودة)، مما دفع العلماء إلى استبعاد فرضية الحدود (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
في وقت لاحق، وجد الباحثون أنه يمكن إنتاج خطوط داكنة مماثلة في الأطياف («الأطياف» هي صيغة الجمع لـ «الطيف») لمصادر الضوء الاصطناعي. لقد فعلوا ذلك عن طريق تمرير الضوء عبر العديد من المواد التي تبدو شفافة - عادة ما تكون حاويات تحتوي على القليل من الغاز الرقيق.
تبين أن هذه الغازات ليست شفافة في جميع الألوان: فقد كانت معتمة تمامًا عند بضعة أطوال موجية محددة بدقة. يجب أن يمتص شيء ما في كل غاز بضعة ألوان من الضوء دون غيرها. كل الغازات فعلت ذلك، لكن كل عنصر مختلف امتص مجموعة مختلفة من الألوان وبالتالي أظهر خطوطًا داكنة مختلفة. إذا كان الغاز الموجود في الحاوية يتكون من عنصرين، فإن الضوء الذي يمر عبره يفقد الألوان (التي تظهر الخطوط الداكنة) لكلا العنصرين. لذلك أصبح من الواضح أن بعض الخطوط في الطيف «تتوافق مع» عناصر معينة. كان هذا الاكتشاف أحد أهم الخطوات إلى الأمام في تاريخ علم الفلك.
ماذا سيحدث إذا لم يكن هناك طيف مستمر لغازاتنا لإزالة الضوء منه؟ ماذا لو قمنا بدلاً من ذلك بتسخين نفس الغازات الرقيقة حتى تصبح ساخنة بما يكفي لتوهج بنورها الخاص؟ عندما تم تسخين الغازات، لم يكشف مقياس الطيف عن أي طيف مستمر، ولكن العديد من الخطوط الساطعة المنفصلة. أي أن هذه الغازات الساخنة تنبعث الضوء فقط بأطوال موجية أو ألوان محددة.
عندما يكون الغاز عبارة عن هيدروجين نقي، كان ينبعث منه نمطًا واحدًا من الألوان؛ عندما يكون صوديوم نقيًا، سيصدر نمطًا مختلفًا. انبعث مزيج من الهيدروجين والصوديوم كلا المجموعتين من الخطوط الطيفية. كانت الألوان التي تنبعث من الغازات عند تسخينها هي نفس الألوان التي امتصتها عندما كان هناك مصدر مستمر للضوء خلفها. من هذه التجارب، بدأ العلماء يرون أن المواد المختلفة أظهرت تواقيع طيفية مميزة يمكن من خلالها اكتشاف وجودها (الشكل\(\PageIndex{4}\)). مثلما يسمح توقيعك للبنك بالتعرف عليك، يمكن أن يساعدنا نمط الألوان الفريد لكل نوع من أنواع الذرات (طيفها) في تحديد العنصر أو العناصر الموجودة في الغاز.
أنواع الأطياف
في هذه التجارب، كانت هناك ثلاثة أنواع مختلفة من الأطياف. الطيف المستمر (الذي يتشكل عندما يطلق غاز صلب أو كثيف جدًا إشعاعًا) هو مجموعة من جميع الأطوال الموجية أو ألوان قوس قزح. يمكن أن يكون الطيف المستمر بمثابة خلفية يمكن لذرات الغاز الأقل كثافة من خلالها امتصاص الضوء. يتكون الخط الداكن، أو طيف الامتصاص، من سلسلة أو نمط من الخطوط الداكنة - الألوان المفقودة - المتراكبة على الطيف المستمر للمصدر. يظهر الخط الساطع، أو طيف الانبعاث، كنمط أو سلسلة من الخطوط الساطعة؛ ويتكون من ضوء لا توجد فيه سوى أطوال موجية منفصلة معينة. (\(\PageIndex{4}\)يوضح الشكل طيف الامتصاص، بينما\(\PageIndex{3}\) يوضح الشكل طيف الانبعاث لعدد من العناصر المشتركة إلى جانب مثال للطيف المستمر.)
عندما يكون لدينا غاز ساخن ورقيق، ينتج كل عنصر كيميائي أو مركب معين نمطه المميز للخطوط الطيفية - توقيعه الطيفي. لا يوجد نوعان من الذرات أو الجزيئات يعطيان نفس الأنماط. بمعنى آخر، يمكن لكل غاز معين أن يمتص أو يصدر فقط أطوال موجية معينة من الضوء الخاص بهذا الغاز. في المقابل، تحدث أطياف الامتصاص عند تمرير الضوء الأبيض عبر غاز بارد ورقيق. تحدد درجة الحرارة والظروف الأخرى ما إذا كانت الخطوط مشرقة أو داكنة (سواء تم امتصاص الضوء أو انبعاثه)، ولكن الأطوال الموجية للخطوط لأي عنصر هي نفسها في كلتا الحالتين. إنه النمط الدقيق للأطوال الموجية الذي يجعل توقيع كل عنصر فريدًا. يمكن للسوائل والمواد الصلبة أيضًا أن تولد خطوطًا أو نطاقات طيفية، ولكنها أوسع وأقل تحديدًا - وبالتالي يصعب تفسيرها. ومع ذلك، يمكن أن يكون التحليل الطيفي مفيدًا جدًا. يمكن تطبيقه، على سبيل المثال، على الضوء المنعكس عن سطح كويكب قريب وكذلك على الضوء من مجرة بعيدة.
وبالتالي فإن الخطوط المظلمة في الطيف الشمسي تعطي دليلاً على وجود عناصر كيميائية معينة بيننا وبين الشمس تمتص تلك الأطوال الموجية من ضوء الشمس. نظرًا لأن الفضاء بيننا وبين الشمس فارغ جدًا، أدرك علماء الفلك أن الذرات التي تقوم بالامتصاص يجب أن تكون في جو رقيق من الغاز البارد حول الشمس. لا يختلف هذا الغلاف الجوي الخارجي كثيرًا عن بقية الشمس، بل إنه أرق وأكثر برودة. وبالتالي، يمكننا استخدام ما نتعلمه عن تكوينها كمؤشر لما تتكون منه الشمس بأكملها. وبالمثل، يمكننا استخدام وجود خطوط الامتصاص والانبعاث لتحليل تكوين النجوم الأخرى وسحب الغاز في الفضاء.
هذا التحليل للأطياف هو مفتاح علم الفلك الحديث. بهذه الطريقة فقط يمكننا «أخذ عينات» من النجوم البعيدة جدًا بالنسبة لنا لزيارتها. تم ترميز الإشعاع الكهرومغناطيسي من الأجسام السماوية بمعلومات واضحة حول التركيب الكيميائي لهذه الأجسام. فقط من خلال فهم ماهية النجوم، يمكن لعلماء الفلك البدء في تكوين نظريات حول ما جعلها تتألق وكيف تطورت.
في عام 1860، أصبح الفيزيائي الألماني غوستاف كيرشوف أول شخص يستخدم التحليل الطيفي لتحديد عنصر في الشمس عندما وجد التوقيع الطيفي لغاز الصوديوم. في السنوات التالية، وجد علماء الفلك العديد من العناصر الكيميائية الأخرى في الشمس والنجوم. في الواقع، تم العثور على عنصر الهيليوم أولاً في الشمس من طيفها ولم يتم تحديده إلا لاحقًا على الأرض. (تأتي كلمة «الهيليوم» من هيليوس، الاسم اليوناني للشمس.)
لماذا توجد خطوط محددة لكل عنصر؟ لم يتم العثور على إجابة لهذا السؤال حتى القرن العشرين؛ فقد تطلب الأمر تطوير نموذج للذرة. لذلك ننتقل بعد ذلك إلى الفحص الدقيق للذرات التي تشكل كل المادة.
ذا رينبو
تعتبر أقواس قزح توضيحًا ممتازًا لتشتت ضوء الشمس. لديك فرصة جيدة لرؤية قوس قزح في أي وقت بين الشمس والدش المطري، كما هو موضح في الشكل. تعمل قطرات المطر مثل الموشورات الصغيرة وتكسر الضوء الأبيض في طيف الألوان. لنفترض أن شعاعًا من ضوء الشمس يصادف قطرة مطر ويمر فيها. يغير الضوء اتجاهه - ينكسر - عندما ينتقل من الهواء إلى الماء؛ ينكسر الضوء الأزرق والبنفسجي أكثر من الأحمر. ثم ينعكس بعض الضوء في الجزء الخلفي من القطرة ويعود من الأمام، حيث ينكسر مرة أخرى. ونتيجة لذلك، ينتشر الضوء الأبيض إلى قوس قزح من الألوان.
لاحظ أن الضوء البنفسجي يقع فوق الضوء الأحمر بعد خروجه من قطرة المطر. ومع ذلك، عندما تنظر إلى قوس قزح، يكون الضوء الأحمر أعلى في السماء. لماذا؟ انظر مرة أخرى إلى الشكل\(\PageIndex{5}\). إذا نظرت الراصد إلى قطرة مطر عالية في السماء، يمر الضوء البنفسجي فوق رأسها ويدخل الضوء الأحمر عينها. وبالمثل، إذا نظرت الراصد إلى قطرة مطر منخفضة في السماء، يصل الضوء البنفسجي إلى عينها وتظهر القطرة بنفسجية، في حين أن الضوء الأحمر من نفس القطرة يضرب الأرض ولا يُرى. تنكسر الألوان ذات الأطوال الموجية المتوسطة للعين بواسطة قطرات متوسطة الارتفاع بين القطرات التي تظهر باللون البنفسجي وتلك التي تظهر باللون الأحمر. وهكذا، فإن قوس قزح الواحد دائمًا ما يكون أحمر من الخارج وبنفسجي من الداخل.
المفاهيم الأساسية والملخص
مقياس الطيف هو جهاز يشكل طيفًا، وغالبًا ما يستخدم ظاهرة التشتت. يمكن أن يتكون الضوء الصادر من مصدر فلكي من طيف مستمر أو طيف انبعاث (خط ساطع) أو طيف امتصاص (خط داكن). نظرًا لأن كل عنصر يترك بصمته الطيفية في نمط الخطوط التي نلاحظها، تكشف التحليلات الطيفية تكوين الشمس والنجوم.
مسرد المصطلحات
- طيف الامتصاص
- سلسلة أو نمط من الخطوط الداكنة المتراكبة على طيف مستمر
- طيف مستمر
- طيف من الضوء يتكون من إشعاع ذي نطاق مستمر من الأطوال الموجية أو الألوان، بدلاً من أطوال موجية منفصلة معينة فقط
- تشتت
- فصل الأطوال الموجية المختلفة للضوء الأبيض من خلال الانكسار بكميات مختلفة
- طيف الانبعاثات
- سلسلة أو نمط من الخطوط الساطعة المتراكبة على طيف مستمر
- مطياف
- أداة للحصول على الطيف؛ في علم الفلك، عادة ما يتم توصيله بالتلسكوب لتسجيل طيف نجم أو مجرة أو كائن فلكي آخر