طيف الانبعاث لعنصر كيميائي أو مركب كيميائي هو طيف ترددات الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من ذرة أو جزيء يجعل الانتقال من حالة الطاقة العالية إلى حالة الطاقة المنخفضة، وطاقة الفوتون المنبعث لكل فوتون واحد يساوي فرق الطاقة بين الحالتين، وهناك العديد من انتقالات الإلكترون الممكنة لكل ذرة، ولكل انتقال يتم تشكيل فرق طاقة معين، وهذه المجموعة من التحولات المختلفة، تؤدي إلى أطوال موجات إشعاعية مختلفة و ” طيف الانبعاث “”، وطيف الانبعاث لكل عنصر فريد ولا يكرر نفسه. وبالتالي، يمكن استخدام التحليل الطيفي لتحديد العناصر ذات التركيب غير المعروف. وبالمثل، يمكن استخدام الأطياف انبعاث الجسيمات في التحليل الكيميائي للمواد الانبعاث يمكن أيضًا تفسير الطيف ببساطة على أنه الطاقة التي يطلقها العنصر عندما ينتقل الإلكترون من مدار طاقة أعلى إلى مدار منخفض.
لماذا يختلف الطيف الذري من عنصر لآخر؟
كما ذكرنا، كل مكون له طيف انبعاث فريد وغير قابل للتكرار. والسبب في ذلك هو أن كل عنصر له رقمه الذري (إما عدد البروتونات أو عدد الإلكترونات) وبالتالي تختلف مستويات الطاقة الرئيسية في كل عنصر، وكذلك عدد الإلكترونات المثارة. نظرًا لأن الإلكترونات المحيطة بنواة الذرة مرتبة في سلسلة من مستويات الطاقة المتزايدة، ويحتوي كل عنصر على عدد فريد من الإلكترونات فقط في تكوينه الفريد، فلكل عنصر مجموعته المميزة من مستويات الطاقة، وهذا الترتيب للطاقة تعمل المستويات كبصمة فريدة للذرة، بحيث يكون لكل عنصر طيف انبعاث فريد، على الرغم من أن الحركة هي نفسها بشكل أساسي، تختلف الطاقة لكل انتقال اعتمادًا على القوى الجذابة بين الإلكترون واللب.
تجربة طيف الانبعاث الذري
في أوائل القرن العشرين، اكتشف العلماء أن تسخين سائل أو صلب إلى درجات حرارة عالية من شأنه أن ينبعث مجموعة واسعة من ألوان الضوء. ومع ذلك، فإن الغاز المسخن إلى درجات حرارة مماثلة لن ينبعث منه إلا الضوء عند أطوال موجية معينة، ولم يفهم العلماء السبب. الملاحظة في ذلك الوقت. في النهاية، أدرك العلماء أن هذه الخطوط تأتي من فوتونات ذات طاقة معينة تنبعث من الإلكترونات التي تتحرك بين مستويات طاقة معينة في الذرة، لذلك عندما ينخفض مستوى الإلكترون في الذرة بمقدار مستوى طاقة أعلى عند مستوى أقل. مستوى الطاقة، يصدر فوتونًا ليحمل الطاقة الإضافية. طاقة هذا الفوتون تساوي الفرق في الطاقة بين مستويي الطاقة اللذين يتحركان بينهما.
التجربة الأولى لإثبات وجود طيف انبعاث ذري لعنصر.
أظهرت التجربة التالية أن لكل عنصر طيف انبعاث ذري خاص به. تعتمد الطريقة على اختبار اللهب في منطقة قليلة الإضاءة: الأدوات اللازمة للتجربة
- ملح كبريتات النحاس
- كحول
- زجاجة ساعة
- حريق
- أنابيب زجاجية
خطوات التجربة
- نضع كمية من كبريتات النحاس في زجاجة الساعة.
- نضع القليل من الكحول على كبريتات النحاس.
- نضع اللهب على كبريتات النحاس.
ملحوظة: لون اللهب أخضر مزرق.
التجربة الثانية تبين أن كل عنصر له طيف مختلف عن الآخر
الادوات المحتاجة
- مكالمات بنزن
- جذع البلاتين
- ملح كلوريد الصوديوم
- ملح كلوريد الكالسيوم
- حامض الهيدروكلوريك
خطوات التجربة
- يتم إدخال ساق من البلاتين وغمرها في محلول حمض الهيدروكلوريك لتنقيته من الشوائب.
- ثم يتم تجفيفها وغمرها في ملح كلوريد الصوديوم للكشف عن طيف الانبعاث الذري للصوديوم.
- ثم قم بتعريض الجذع للجزء الشفاف في لهب البنزين.
- تتم إزالة ساق بلاتيني آخر وتكرر نفس الخطوات مع ملح كلوريد الكالسيوم.
ملحوظة ١: عندما يتعرض ملح كلوريد الصوديوم للهب، يكون لون اللهب أصفر ذهبي. ملاحظة 2: عندما يتم الكشف عن الكالسيوم في ملح كلوريد الكالسيوم، يتحول اللهب إلى اللون البني الأحمر. الاستنتاج هو أن كل عنصر له طيف انبعاث ذري يميزه عن باقي العناصر.
تاريخ اكتشاف طيف انبعاث العناصر.
في بداية القرن العشرين، أظهرت تجارب إرنست رذرفورد أن الذرات تتكون من سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بنواة صغيرة كثيفة موجبة الشحنة. بالنظر إلى هذه البيانات التجريبية، اعتبر رذرفورد بطبيعة الحال نموذجًا كوكبيًا للذرة. حول النواة الشمسية، لكنها واجهت عددًا من الصعوبات الفنية، بما في ذلك، على سبيل المثال: قوانين الميكانيكا الكلاسيكية (مثل معادلة لارمور) التي تتنبأ بأن الإلكترون سيصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا أثناء دورانه حول النواة، ولأن الإلكترون سوف تفقد طاقتها وتدور بسرعة إلى الداخل. وينهار داخل النواة. على مقياس زمني يبلغ حوالي 16 بيكو ثانية، يعد هذا النموذج الذري كارثيًا لأنه يتنبأ بأن جميع الذرات غير مستقرة. أيضًا، عندما يدور الإلكترون إلى الداخل، سيزداد الانبعاث بسرعة في التردد كلما أصبح المدار أصغر وأسرع، لكن التجارب في أواخر القرن التاسع عشر مع التفريغ الكهروستاتيكي أظهرت أن الذرات ستصدر الضوء فقط (أي الإشعاع الكهرومغناطيسي) عند ترددات منفصلة معينة. للتغلب على مشاكل ذرة رذرفورد، اقترح نيلز بور في عام 1913 ثلاثة افتراضات تلخص معظم نموذج بوهر لشرح أطياف العناصر.
لماذا لم يستطع نموذج بور تفسير أطياف العناصر الأثقل من الهيدروجين
في عام 1913، اقترح الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نموذجًا نظريًا لذرة الهيدروجين يفسر طيف انبعاثها. افترض نموذج رذرفورد السابق للذرة أيضًا أن الإلكترونات تتحرك في مدارات دائرية حول النواة وأن الذرة متماسكة عن طريق التجاذب الكهروستاتيكي بين النواة الموجبة الشحنة والإلكترون سالب الشحنة، على الرغم من أننا نعلم الآن أن افتراض المدارات الدائرية كان غير صحيح. اقترحت رؤية بوهر أن الإلكترون يمكن أن يشغل مناطق معينة فقط من الفضاء حول النواة. باستخدام الفيزياء الكلاسيكية، أظهر نيلز بور أن طاقة الإلكترون في مدار معين يمكن الحصول عليها بالمعادلة التالية: En = −Rhcn2 حيث R هو ثابت Rydberg، h هو ثابت Planck، c هي سرعة الضوء و n هي عدد صحيح موجب يتوافق مع الرقم المخصص للمدار، حيث n = 1 المقابل للمدار الأقرب للنواة، وفي هذا النموذج، n = (رقم لا نهائي) يتوافق مع المستوى الذي تحافظ فيه الطاقة على الإلكترون والنواة معا يساوي الصفر، وعند هذا المستوى، ينفصل الإلكترون عن النواة وتنفصل الذرة إلى أيون سالب الشحنة (إلكترون) وأيون موجب الشحنة (النواة)، وفي هذه الحالة يكون نصف قطر المدار لانهائي . بعد ذلك، وفقًا لنموذج Bohr، يتم إعطاء فرق الطاقة (ΔE) بين أي مداريين أو مستويات طاقة بالمعادلة التالية: ΔE = En1 – En2 حيث n1 هو المدار النهائي و n2 هو المدار الأساسي. حصل بوهر على جائزة نوبل في عامه النموذجي عام 1922، والتي استندت إلى ذرة الهيدروجين، لكنه فشل في تفسير الطيف الذري لأي ذرة أخرى تحتوي ذراتها على أكثر من إلكترون واحد، مثل الليثيوم والهيليوم، والتي تحتوي على إلكترونين فقط. . أي وأي منها:
- افترض بوهر أنه سيكون من الممكن تحديد موضع وسرعة الإلكترون حول النواة في أي وقت. هذا مستحيل عمليا لأن الجهاز المستخدم للقياس يؤثر على موضع وسرعة الإلكترون وتصبح عملية القياس موضع تساؤل.
- أهمل بوهر الخصائص الموجية للإلكترون باعتباره مجرد جسيم فيزيائي.
- لنفترض أن الإلكترون يدور في مسار دائري، مما يعني أن الذرة مسطحة. ثم أثبت أن الذرة لها ثلاثة اتجاهات مكانية.