طیف نشری خطی چیست؟ – کاربردها + فهرست کامل – به زبان ساده

طیف نشری خطی چیست؟

«فراونهوفر» (Fraunhofer) با گسترش و مشاهده دقیق‌تر جزئیات رنگین‌کمان هزاران خط تیره در آن یافت که بعداً به نام «خطوط فراونهوفر» (Fraunhofer Lines) شناخته شدند.

برای یادگیری طیف نشری خطی و شکل و پهنا و انواع آن، پیشنهاد می‌کنیم فیل آموزش رایگان طیف نشری خطی و کاربرد آن در فیزیک و شیمی در فرادرس را تماشا کنید که لینک آن را در کادر زیر آورده‌ایم.

سری بالمر

«گوستاو کیرشهف» (Gustav Kirchhoff) و «رابرت بونزن» (Robert Bunsen) با قرار دادن مواد شیمیایی گوناگونی روی شعله، خطوط ویژه‌ای برای هر ماده مشاهده کردند که برخی از آن‌ها مطابق با خطوط فراونهوفر بودند.

فیلم آموزش تجزیه‌ طیفی و تعیین‌ ساختار مولکول‌ها در فرادرس

کلیک کنید

تفاوت این دو مشاهده نشان می‌دهد که گاز ملتهب خطوط نشری و گاز سرد خطوط جذبی را ایجاد می‌کنند، در حقیقت خطوطی که هنگام داغ بودن گاز منتشر می‌شوند، هنگامی که همان گاز در دمای پایینی قرار دارد جذب شده و به شکل خط‌هایی سیاه در طیف نشری ظاهر می‌شوند.

برای توضیح خطوط موجود در رنگین‌کمان نیز می‌توان توضیح داد که وقتی نور خورشید از گازهای موجود در جو عبور می‌کند، پرتوهایی از نور خورشید با طول موج‌های معینی پراکنده می‌شوند و خطوط موجود در رنگین‌کمان را به وجود می‌آورند. از این ویژگی که مانند اثر انگشت عناصر شیمیایی است برای شناسایی ترکیبات در فاصله‌های بسیار دور مانند دیگر ستارگان استفاده می‌کنند.

طیف نشری خطی عناصر چگونه تشکیل میشود ؟

با تجزیه نور ساطع شده از اتم‌های هیدروژن چهار خط نشری با رنگ‌های بنفش، آبی، سبز و قرمز دیده می‌شوند. قرمز دیده شدن نور تابشی از گاز هیدروژن به این دلیل است که از بین چهار خط هیدروژن، فوتون‌های بیشتری در طول موج ۶۵۶ نانومتر در حال نشر هستند و به‌طور مشابه برای طیف خطی سدیم، رنگ زرد دیده می‌شود.

$$\begin{array}{l}\bar{\nu }=109677(\frac{1}{2^{2}}-frac{1}{n^{2}})\end{array}$$

$$\frac{1}{\lambda}=R\,(\frac{1}{n_{1}^{2}}-frac{1}{n_{2}^{2}})$$

• $$R$$، ثابت ریدبرگ: $$۱٫۰۹۷۳۷times۱۰^۷m^{-۱}$$

مدل اتمی بور

بور انرژی یک الکترون در مداری معین را به صورت زیر تعریف کرد:

$$E_n=(\frac{-Rhc}{n^2})$$

• $$n$$: ۱، ۲، ۳، ۴، ...
• $$h$$: ثابت پلانک
• $$c$$: سرعت نور
• $$R$$: ثابت ریدبرگ

در شکل زیر که مدل بور برای اتم هیدروژن نشان داده شده است، با افزایش $$n$$، فاصله مدار افزایش و انرژی مدار کاهش پیدا می‌کند.

$$\triangle E=\frac{-Rhc}{n_2^2}-(\frac{-Rhc}{n_1^2})$$

$$=-Rhc\,(\frac{1}{n_2^2}-frac{1}{n_1^2})$$

$$n_2>\;n_1$$ یعنی انتقال از سطحی با انرژی بیشتر به سطحی با انرژی کمتر صورت گرفته است. با جایگذاری $$\triangle E= \frac{hc}{\lambda}$$ رابطه زیر به دست می‌آید.

$$\triangle E= \frac{hnu}{\lambda}=-Rhc\, (\frac{1}{n_2^2}-frac{1}{n_1^2})$$

و با حذف $$hc$$ از دو طرف معادله، رابطه زیر حاصل می‌شود.

$$\frac{1}{\lambda}=-R\, (\frac{1}{n_2^2}-frac{1}{n_1^2})$$

تنها تفاوت این رابطه با معادله ریدبرگ که به صورت تجربی به دست آمده بود علامت منفی در ان است. علامت منفی در این رابطه نشان دهنده این است که با انتقال الکترون از سطحی با انرژی بیشتر به سطحی پایدارتر که انرژی کمتری دارد، انرژی آزاد می‌شود و سیستم با کاهش انرژی همراه است. بور با استفاده از ثابت‌هایی مانند بار و جرم الکترون و ثابت پلانک مقدار $$R$$ را نیز محاسبه کرد و مقدار $$۱٫۰۹۷۳۷times۱۰^۷m^{-۱}$$ را به دست آورد که با ثابت ریدبرگ برابر است.

با مقایسه طول موج‌های به دست آمده از طیف نشری و اختلاف انرژی سطوح در هیدروژن، این مفهوم قابل درک می‌شود. در سری بالمر الکترون از حالت‌هایی با انرژی بالاتر $$(n>\; 2)$$ به سطح دوم $$(n= 2)$$ منتقل می‌شود و در ناحیه مرئی طیف نشری خطی آن مشاهده می‌شود. در واقع مقدار انرژی که اتم‌های هیدروژن هنگام تخلیه الکتریکی جذب می‌کنند با نشر فوتون همان مقدار انرژی را آزاد می‌کنند تا به حالت پیش بازگردند.

انتقال‌های الکترون در سطح‌های ناپایدار به ترتیب زیر است.

• انتقال $$n = ۳$$ به $$n = ۲$$: خط نشری در ۶۵۶ نانومتر (قرمز)
• انتقال $$n = ۴$$ به$$n = ۲$$: خط نشری در ۴۸۶ نانومتر (سبز)
• انتقال $$n = ۵$$ به $$n = ۲$$: خط نشری در ۴۳۴ نانومتر (آبی)
• انتقال $$n = ۶$$ به $$n = ۲$$: خط نشری در ۴۱۰ نانومتر (بنفش)

تعداد اتم‌ها در هر سطح ناپایدار یا برانگیخته میزان شدت تابش هر خط را مشخص می‌کند. در دمای لوله تخلیه حاوی گاز هیدروژن با فشار کم، بیشترین اتم‌ها در سطح سوم $$(n = ۳)$$ هستند و شدت انتقال از $$n = ۳$$ به $$n = ۲$$ با رنگ قرمز در طیف نشری خطی از سایر انتقال‌ها بیشتر است. انتقال از سایر سطوح برانگیخته به حالت‌های پایدارتر در شکل زیر نشان داده شده‌است.

به جز سری بالمر که در ناحیه مرئی قرار می‌گیرد، انرژی آزاد شده در سایر انتقال‌ها در دیگر نواحی تابش الکترومغناطیسی رخ می‌دهد. سری خطوط لیمان در ناحیه فرابنفش و سری پاشن، براکت و فوند در ناحیه فروسرخ تابش دارند.

مثال: مقدار $$\lambda$$ برای انتقال الکترون از سطح ۴ به ۳ را محاسبه کنید.

پاسخ: در اینجا برای به دست آوردن $$\lambda$$ از رابطه زیر استفاده می‌شود.

$$\frac{1}{\lambda}=-R\, (\frac{1}{n_2^2}-frac{1}{n_1^2})$$

که در آن $$R=۱٫۰۹۷۴ × ۱۰^7m^{-۱}$$ و $$n_1 <\; n_1$$ است. برای انتقال $$n=۴$$ به $$n=۳$$ خواهیم داشت.

$$\frac{1}{\lambda} = (1.0974 × 10^7m^{-1})(\frac{1}{9} - \frac{1}{16}) = (1.0974 × 10^7m^{-1})× 7/144$$

$$=5.335times10^5m^{-1}$$

$$\lambda=\frac{1}{5.335times10^5m^{-1}}$$

$$1.875times10^{-6}m$$

$$1.875mu m$$

مدل بور تنها طیف نشری گونه‌هایی شبیه به هیدروژن مانند $$He^+\, Li^{2+}$$ که تنها یک الکترون دارند را توضیح می‌دهد و برای سایر عناصر پاسخی ندارد.

کاربرد طیف نشری خطی چیست ؟

• «طیف‌بینی جذب اتمی» (Atomic Absorption Spectroscopy | AAS)
• «طیف‌بینی نشر اتمی» (Atomic Emission Spectroscopy | AES)

از این روش‌ها در پژوهش‌های «داروشناسی» (Pharmacology)، بیوفیزیک، باستان‌شناسی و سم‌شناسی بهره می‌گیرند. طیف‌بینی جذب اتمی در زمینه‌های گوناگون شیمی مانند آنالیز بالینی فلزات در مایعات و آنالیز کمی و کیفی در بافت‌های زیستی بدن کاربرد دارد.

فیلم آموزش طیف‌سنجی در شیمی آلی در فرادرس

کلیک کنید

فهرست طیف نشری خطی عناصر

طیف نشری خطی جیوه

طیف نشری خطی سدیم

سدیم $$(_{11}Na)$$ با ۱۱ الکترون در گروه ۱ جدول تناوبی قرار دارد.

طیف نشری خطی هلیم

هلیوم $$(_2He)$$ با ۲ الکترون در گروه ۱۸ جدول تناوبی قرار دارد.

طیف نشری خطی نئون

نئون $$(_{10}Ne)$$ با 10 الکترون در گروه ۱8 جدول تناوبی قرار دارد.

طیف نشری خطی عناصر هم گروه

گازهای نجیب

گاز نجیب‌های نجیب در گروه ۱۸ جدول تناوبی قرار دارند و شامل عناصر هلیوم $$(He)$$، نئون $$(Ne)$$، آرگون $$(Ar)$$، کریپتون $$(Kr)$$، زنون $$(Xe)$$ و رادون $$(Rn)$$ می‌شوند. این عناصر واکنش‌پذیری بسیار کمی دارند.

هالوژن‌ها

گروه ۱۷ جدول تناوبی با نام هالوژن‌ها شناخته می‌شوند و شامل عناصر فلوئور $$(F)$$، کلر $$(Cl)$$، برم $$(Br)$$، ید $$(I)$$ و استاتین $$(At)$$ هستند. واکنش هالوژن با فلزات منجر به تولید نمک‌های مختلف می‌شود. طیف استاتین ناحیه فرابنفش است.

فلزهای قلیایی

فلزات قلیایی در گروه ۱ جدول تناوبی قرار دارند و شامل عنصرهای لیتیم $$(Li)$$، سدیم $$(Na)$$، پتاسیم $$(K)$$، روبیدیم $$(Rb)$$، سزیم $$(Cs)$$، و فرانسیم $$(Fr)$$ می‌شوند. فلزات قلیایی عناصری بسیار واکنش‌پذیر و درخشانی هستند که به صورت آزاد در طبیعت یافت نمی‌شوند.

شبیه ساز قانون بیر

قانون بیر (Beer’s Law) نشان می‌دهد که یک ماده چه طول‌موج‌هایی از نور را جذب می‌کند. طبق این قانون جذب به غلظت نیز بستگی دارد. در بخش‌های قبل آموختیم که طیف نشری خطی نشان می‌دهد همان ماده چه طول‌موج‌هایی را هنگام بازگشت الکترون‌ها به تراز پایین‌تر منتشر می‌کند. پس این دو فرآیند معکوس هم هستند، یعنی طول‌موج‌هایی که ماده جذب می‌کند، همان طول‌موج‌هایی هستند که می‌تواند منتشر کند. در شبیه‌ساز زیر از دانشگاه کلورادو می‌توانید با تنظیم محلول و طول‌موج موردنظر خود میزان جذب یا عبور را بررسی کنید:

سوالات متداول

به برخی از پرسش‌های رایج در مورد این مطلب در زیر پاسخ داده شده است.

طیف نشری خطی چگونه ایجاد میشود؟

وقتی به بخار عناصر یا ترکیبات شیمیایی انرژی داده می‌شود و آن را ملتهب می‌سازد، نوری از خود ساطع می‌کنند. با عبور این نور از منشور، نور تجزیه می‌شود و طیف نشری خطی آن عنصر تشکیل می‌شود.

تفاوت طیف نشری و جذبی چیست؟

• وقتی پرتو منبع نور توسط منشور تجزیه شود، طیف نشری تشکیل می‌شود.
• اگر عنصر یا ترکیب با گرفتن انرژی در حالت بخار بسیار داغ شود و از خود نور ساطع کند و آن نور توسط منشور تجزیه شود، طیف تشکیل شده به صورت نشری خطی خواهد بود.
• اگر پرتو نور از بخار سرد عنصر یا ترکیب عبور داده شده و سپس توسط منشور تجزیه شود، قسمتی از پرتو نور توسط اتم‌های عنصر جذب می‌شود و به شکل خطوطی سیاه‌رنگ در طیف نمایش داده می‌شوند. در این حالت طیف جذبی تشکیل می‌شود.

دلیل اهمیت طیف های نشری چیست؟

به دلیل منحصر بودن طیف نشری برای هر عنصر، از این ویژگی می‌توان برای شناسایی عناصر استفاده کرد.

چرا طیف نشری خطی هر عنصر متفاوت است ؟

طیف نشری خطی نتیجه انتقال الکترون‌های برانگیخته عناصر به سطح‌های پایدارتر است و چون هر عنصر ساختار الکترونی متفاوتی دارد، پس طیف نشری خطی متفاوتی هم ایجاد می‌کنند.

فهرست طیف نوری عناصر

در زیر فهرست خطوط طیف نوری عناصر به ترتیب عدد اتمی آورده شده است. این خطوط در ناحیه مرئي در گستره ۴۰۰–۷۰۰ نانومتر هستند. طیف نوری، خطوط روشن روی طیف پیوسته عناصر هستند.

طیف نوری عناصر
Z	عنصر	خط طیف نوری
۱	هیدروژن
۲	هلیوم
۳	لیتیم
۴	بریلیم
۵	بور
۶	کربن
۷	نیتروژن
۸	اکسیژن
۹	فلوئور
۱۰	نئون
۱۱	سدیم
۱۲	منیزیم
۱۳	آلومینیم
۱۴	سیلیسیم
۱۵	فسفر
۱۶	گوگرد
۱۷	کلر
۱۸	آرگون
۱۹	پتاسیم
۲۰	کلسیم
۲۱	اسکاندیم
۲۲	تیتانیم
۲۳	وانادیم
۲۴	کروم
۲۵	منگنز
۲۶	آهن
۲۷	کبالت
۲۸	نیکل
۲۹	مس
۳۰	روی
۳۱	گالیم
۳۲	ژرمانیم
۳۳	آرسنیک
۳۴	سلنیم
۳۵	برم
۳۶	کریپتون
۳۷	روبیدیم
۳۸	استرانسیم
۳۹	ایتریم
۴۰	زیرکونیم
۴۱	نیوبیم
۴۲	مولیبدن
۴۳	تکنسیم
۴۴	روتنیم
۴۵	رودیم
۴۶	پالادیم
۴۷	نقره
۴۸	کادمیم
۴۹	ایندیم
۵۰	قلع
۵۱	آنتیموان
۵۲	تلوریم
۵۳	ید
۵۴	زنون
۵۵	سزیم
۵۶	باریم
۵۷	لانتان
۵۸	سریم
۵۹	پرازئودیمیم
۶۰	نئودیمیم
۶۱	پرومتیم
۶۲	ساماریم
۶۳	یوروپیم
۶۴	گادولینیم
۶۵	تربیم
۶۶	دیسپروزیم
۶۷	هولمیم
۶۸	اربیوم
۶۹	تولیم
۷۰	ایتربیم
۷۱	لوتتیم
۷۲	هافنیم
۷۳	تانتالم
۷۴	تنگستن
۷۵	رنیم
۷۶	اسمیم
۷۷	ایریدیم
۷۸	پلاتین
۸۹	طلا
۸۰	جیوه	-
۸۱	تالیم
۸۲	سرب
۸۳	بیسموت
۸۴	پولونیم
۸۵	استاتین	-
۸۶	رادون
۸۷	فرانسیم	-
۸۸	رادیم
۸۹	اکتینیم
۹۰	توریم
۹۱	پروتاکتینیم
۹۲	اورانیم
۹۳	نپتونیم
۹۴	پلوتونیم
۹۵	امریسیم
۹۶	کوریم
۹۷	برکلیم
۹۸	کالیفرنیم
۹۹	اینشتینیم