طيف الانبعاث لعنصر كيميائي أو مركب كيميائي هو طيف ترددات الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من ذرة أو جزيء يقوم بالانتقال من حالة طاقة عالية إلى حالة طاقة أقل، وطاقة الفوتون المنبعث من الفوتون تساوي فرق الطاقة بين الحالتين، وهناك العديد من انتقالات الإلكترون الممكنة لكل ذرة ، ولكل انتقال فرق طاقة معين، وتشكل هذه المجموعة من التحولات المختلفة ، التي تؤدي إلى أطوال موجية مشعة مختلفة “وطيف انبعاثً”، وطيف انبعاث كل عنصر فريد من نوعه لا يتكرر لذلك ، يمكن استخدام التحليل الطيفي لتحديد العناصر ذات التكوين غير المعروف، وبالمثل ، يمكن استخدام أطياف انبعاث الجزيئات في التحليل الكيميائي للمواد.

ويمكن أيضَا ببساطة شرح طيف الانبعاث بأنه هو أنه الطاقة التي يطلقها العنصر عندما يتحرك الإلكترون من مدار طاقة أعلى إلى مدار منخفض .

لماذا يختلف الطيف الذري من عنصر إلى اخر

كما ذكرنا فإن كل عنصر يملك طيف انبعاث فريد خاص به وحده ولا يتكرر والسبب في ذلك أن كل عنصر له رقم ذري خاص به(سواء عدد بروتونات أو عدد إلكترونات) وبالتالي تختلف مستويات الطاقة الرئيسية في كل عنصر وأيضًا عدد الإليكترونات المثارة.

حيث يتم ترتيب الإلكترونات المحيطة بنواة الذرة في سلسلة من مستويات الطاقة المتزايدة، و يحتوي كل عنصر على عدد فريد من الإلكترونات في تكوين فريد خاص به وحده ، وبالتالي فإن كل عنصر له مجموعته المميزة من مستويات الطاقة، يعمل هذا الترتيب لمستويات الطاقة كبصمة الذرة الفريدة، وبالتالي يكون لكل عنصر طيف انبعاث فريد، على الرغم من أن الحركة هي نفسها بشكل أساسي ، إلا أن الطاقة لكل انتقال تختلف اعتمادًا على قوى الجذب بين الإلكترون والنواة.[1]

تجربة طيف الانبعاث الذري

في أوائل القرن العشرين ، وجد العلماء أن تسخين السائل أو الصلب إلى درجات حرارة عالية من شأنه أن يعطي مجموعة واسعة من ألوان الضوء، ومع ذلك ، فإن الغاز المسخن إلى درجات حرارة مماثلة لن ينبعث منه الضوء إلا عند أطوال موجية معينة، ولم يفهم العلماء سبب هذه الملاحظة في ذلك الوقت.

في النهاية ، أدرك العلماء أن هذه الخطوط تأتي من فوتونات ذات طاقة معينة تنبعث من الإلكترونات التي تنتقل بين مستويات طاقة معينة للذرة، فعندما ينخفض إلكترون في ذرة من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل ، فإنه يصدر فوتونًا ليحمل الطاقة الإضافية، وطاقة هذا الفوتون تساوي فرق الطاقة بين مستويي الطاقة الذي انتقل بينهما.

التجربة الأولى لإثبات وجود طيف انبعاث ذري للعنصر

والتجربة التالية تثبت أن لكل عنصر طيف انبعاث ذري خاص به،وتعتمد الطريقة على اختبار اللهب في منطقة اضائتها خافتة:

الأدوات المطلوبة للتجربة

ملح كبريتات النحاس
الكحول
زجاجة ساعة
لهب
أنابيب زجاجية

خطوات التجربة

نضع كمية من كبريتات النحاس في زجاجة الساعة.
نضع قليل من الكحول فوق كبريتات النحاس.
نضع اللهب فوق كبريتات النحاس.

الملاحظة

نلاحظ تلون لون اللهب باللون الأخضر المزرق.

التجربة الثانية لإثبات أن لكل عنصر طيف مختلف عن الأخر

الأدوات المطلوبة

لهب بنزن
ساق بلاتين
ملح كلوريد الصوديوم
ملح كلوريد الكالسيوم
حمض هيدروكلوريك

خطوات التجربة

يتم إحضار ساق من البلاتين ويغمس في محلول حمض هيدروكلوريك لتنقيته من الشوائب.
ثم يجفف ويغمس في ملح كلوريد الصوديوم للكشف عن طيف الانبعاث الذري للصوديوم.
ثم يعرض الساق إلى الجزء الشفاف في لهب بنزن.
يتم إحضار ساق أخرى من البلاتين وتكرار نفس الخطوات باستخدام ملح كلوريد الكالسيوم

الملاحظة 1

عند تعريض ملح كلوريد الصوديوم للهب يتلون اللهب بلون أصفر ذهبي.

الملاحظة 2

عند الكشف عن الكالسيوم في ملح كلوريد الكالسيوم، يتلون اللهب بلون أحمر طوبي.

الاستنتاج

أن لكل عنصر طيف انبعاث ذري يميزه عن باقي العناصر.

تاريخ اكتشاف طيف الانبعاث للعناصر

في أوائل القرن العشرين ، أثبتت التجارب التي أجراها إرنست رذرفورد أن الذرات تتكون من سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بنواة صغيرة كثيفة موجبة الشحنة، وبالنظر إلى هذه البيانات التجريبية ، اعتبر رذرفورد بطبيعة الحال نموذجًا كوكبيًا للذرة ، كان نموذج رذرفورد لعام 1911 يحتوي على إلكترونات تدور حول نواة شمسية ، ولكن واجهته مجموعة من الصعوبات التقنية منها على سبيل المثال : قوانين الميكانيكا الكلاسيكية (مثل معادلة لارمور) التي تتنبأ بأن الإلكترون سيطلق الإشعاع الكهرومغناطيسي أثناء الدوران حول النواة، ولأن الإلكترون سيفقد طاقته ، فإنه سوف يدور بسرعة إلى الداخل ، وينهار داخل النواة في نطاق زمني يبلغ حوالي 16 بيكو ثانية هذا النموذج الذري كارثي لأنه يتنبأ بأن جميع الذرات غير مستقرة.

أيضًا ، مع دوران الإلكترون نحو الداخل ، سيزداد الانبعاث بسرعة في التردد كلما أصبح المدار أصغر وأسرع، ومع ذلك ، أظهرت تجارب أواخر القرن التاسع عشر على التفريغ الكهربائي أن الذرات ستصدر الضوء فقط (أي الإشعاع الكهرومغناطيسي) عند ترددات معينة منفصلة.

وللتغلب على مشاكل ذرة رذرفورد ، طرح نيلز بور في عام 1913 ثلاثة افتراضات تلخص معظم نموذج بور لتفسير أطياف العناصر.

لماذا فشل نموذج بور في تفسير أطياف العناصر الأثقل من الهيدروجين

في عام 1913 ، اقترح العالم الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نموذجًا نظريًا لذرة الهيدروجين التي فسرت طيف انبعاثها، وقد بنى بور نموذجه بناءًا على افتراضًا واحدًا فق’، هو أن الإلكترون يتحرك حول النواة في مدارات دائرية لا يمكن أن يكون لها سوى نصف قطر معين مسموح به، وافترض 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 ، فإن رؤية بور كانت تقترح أن الإلكترون يمكن أن يشغل مناطق معينة فقط من الفضاء الموجود حول النواة.[2]

باستخدام الفيزياء الكلاسيكية ، أظهر نيلز بور أن طاقة الإلكترون في مدار معين يمكن الحصول عليها بواسطة المعادلة التالية:

En = −Rhcn2

حيث R هو ثابت Rydberg ، وh هو ثابت Planck ، c هو سرعة الضوء ، و n هو عدد صحيح موجب يتوافق مع الرقم المخصص للمدار ، مع n = 1 المطابق للمدار الأقرب للنواة، وفي هذا النموذج ، n = ∞ (عدد لا نهائي) يتوافق مع المستوى الذي تكون فيه الطاقة التي تمسك الإلكترون والنواة معًا تساوي صفرا،ًو في هذا المستوى ، ينفصل الإلكترون عن النواة ويتم فصل الذرة إلى أيون سالب الشحنة (الإلكترون) وأيون موجب الشحنة (النواة)، وفي هذه الحالة ، يكون نصف قطر المدار أيضًا لانهائيًا.

لذا وفقًا لنموذج بور الفرق في الطاقة (ΔE) بين أي مدارين أو مستويات طاقة يعطى بواسطة المعادلة التالية:

ΔE = En1 − En2 حيث n1 هو المدار النهائي و n2 المدار الأولي.

وقد حصل بور على جائزة نوبل عام نموذجه في عام 1922م والذي كان مبنى على ذرة الهيدروجين، إلا أنه لم ينجح في تفسير الطيف الذري لأي ذرة أخرى

تحتوي على ذراتها على أكثر من

إلكترون واحد مثل الليثيوم، والهيليوم

الذي يحتوي على 2 إلكترون فقط ، والسبب في ذلك:

افترض بور أنه من الممكن تحديد مكان وسرعة الإليكترون حول النواة في أي وقت وهذا مستحيل عمليًا لأن الجهاز المستخدم في القياس يؤثر على مكان وسرعة الإليكترون وتصبح عملية القياس مشكوك في دقتها.
أهمل بور الخواص الموجية للإليكترون واعتبره جسيم مادي فقط.
افترض أن الإليكترون يدور في مسار دائري وهذا يعني أن الذرة مسطحة، وقد أثبت بعد ذلك أن الذرة لها اتجاهات فراغية ثلاثة.