معرفی امواج الکترومغناطیس و نور
تابش الکترومغناطیس، یکی از راههایی است که توسط آن انرژی در فضا حرکت میکند. گرمای آتش، نور خورشید، اشعه ایکس که پزشک شما مورد استفاده قرار میدهد، انرژی ای که برای پخت غذا در مایکروویو استفاده میشود؛ همه و همه انواع تابش الکترومغناطیس هستند. تمام اطلاعات دربارهی جهان هستی، به شکل تابشهای الکترومغناطیس به زمین میرسد. با تفسیر این تابش، ستاره شناسان میتوانند انبساط کلی جهان را اندازه گیری کنند، و یا ترکیب شیمیایی ستارهها و اجرام آسمانی را پیش بینی کنند.
شما با شکل و مفهوم موج دریا آشنا هستید. به زبان ساده، موجها اغتشاشات ایجاد شده در یک محیط فیزیکی خاص یا در یک میدان هستند؛ که منجر به لرزش یا نوسان میشوند.موج دریا، حاصل لرزش یا نوسان آب در سطح دریاست. امواج الکترومغناطیس نیز شبیه به موج دریا هستند، اما با این تفاوت که این امواج در واقع شامل دو موج در حال نوسان عمود بر هماند. یکی از این امواج، میدان مغناطیسی در حال نوسان و دیگری، میدان الکتریکی در حال نوسان است. یکی از ویژگیهای موج، طول موج (λ) است؛ که به صورت فاصلهی بین قله تا قله یا دره تا دره تعریف میشود. در منحنی موج نور زیر، E میدان الکتریکی، M میدان مغناطیسی و λ طوج موج است.
طیف امواج الکترومغناطیس در شکل زیر نمایش داده شده است. امواج رادیویی دارای طول موجهای بسیار بلند هستند. امواج فروسرخ طول موج متوسطی دارند. و پرتوهای گاما دارای طول موجهای بسیار کوتاهاند. در میان این طیف گستردهی امواج الکترومغناطیس، طول موج نور مرئی در یک بازه باریک از حدود ۷۰۰ نانومتر برای نور قرمز تا ۴۰۰ نانومتر برای نور بنفش مشاهده میشود.
طیف امواج الکترومغناطیس در شکل زیر نمایش داده شده است. مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
به طور کلی، هرچه طول موج کوتاهتر باشد، آن موج انرژی بیشتری با خود حمل میکند؛ برای مثال، انرژی نور آبی از نور سرخ بیشتر است.
مثال۱
پس از عبور نور سفید از منشور، کدام نور بیشترین و کدام نور کمترین تغییر جهت را خواهد داشت؟
پاسخ:
نور بنفش بیشترین و نور قرمز کمترین تغییر جهت را دارد. زیرا، هرچه طول موج کمتر باشد، تغییر جهت بیشتری اتفاق میافتد.
آزمون شعله
اگر گاز یا بخار یک مادهی شیمیایی را در یک شعلهی چراغ بونزن گرم کنیم، رنگ ویژهای به شعلهی چراغ میدهد؛ که از روی آن میتوان نوع فلز را تعیین نمود. در شکل زیر رنگ شعلهی ترکیبات حاوی چند فلز نشان داده شده است.
طیفهای اتمی
هرگاه بر یک لولهی تخلیهی الکتریکی که حاوی بخار کم فشار یک عنصر است، ولتاژ زیادی اعمال شود؛ بر اثر تخلیه الکتریکی، گاز درون لوله ملتهب شده، نوری از خود نشر میکند. مثلاف هیدروژن نوری به رنگ صورتی روشن و نئون نوری به رنگ نارنجی مایل به سرخ از خود ساطع میکند. با عبور این نور از یک منشور، به جای طیف پیوستهای از رنگها، تنها خطوط رنگی باریکی مشاهده میشود؛ که برای هر عنصر الگوی معینی دارد. این الگو را طیف نشری خطی مینامند. هر یک از خطوط رنگی، به طول موج معینی مربوط است.
کل زیر، نحوهی مشاهدهی خطوط طیفی اتم هیدروژن را نشان میدهد.
نظریهی اتمی بور
در سال ۱۹۱۳، نیلز بور نظریهای برای ساختار الکترونی اتم هیدروژن بیان کرد که طیف خطی این عنصر را تببین میکرد. نظریهی بور برای اتم هیدروژن، حاوی یک الکترون و یک پروتون، به شرح زیر بود:
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
- الکترون اتم هیدروژن فقط میتواند در مدارهای کروی معینی (که تراز انرژی یا لایه نیز خوانده می شوند)، وجود داشته باشد. این لایهها به طور متحدالمرکز دور هسته قرار دارند. و با مقادیر n (1،۲،۳،۴،۵و…) مشخص میشوند.
- الکترون دارای انرژی معینی است؛ که به مداری که در آن حرکت میکند، بستگی دارد. تراز n=1، نزدیکترین لایه به هسته، کوچکترین شعاع را داراست. الکترونی که در لایهی n=1 باشد، دارای پایینترین انرژی ممکن است؛ زیرا کمترین فاصلهی ممکن را با بار مثبت هسته دارد. با افزایش فاصله از هسته، شعاع لایه و انرژی الکترون موجود در آن افزایش مییابد.
برای دور کردن الکترون از بار مثبت هسته و هدایت آن به لایههای دورتر باید انرژی مصرف کرد. هیچ الکترونی در اتم نمیتواند چنان انرژی ای داشته باشد که آن را بین دو لایهی مجاز قرار دهد.
- هنگامی که الکترونهای یک اتم، نزدیک ترین فاصلهی ممکن را با هسته دارند، در شرایط پایینترین انرژی ممکن، یعنی حالت پایه قرار دارند. با دادن حرارت به اتمها به وسیلهی چراغ بونزن، الکترونها انرژی جذب میکنند و به ترازهای بیرونی که انرژی بالاتری دارند، جهش پیدا میکنند. این اتمها در حالت برانگیخته قرار دارند.
- اتمهای برانگیخته پرانرژی و ناپایدارند؛ از این رو تمایل دارند دوباره با از دست دادن انرژی به حالت پایدارتر و در نهایت به حالت پایه برگردند. از آنجا كه برای الکترون، نشر نور، مناسبترین شیوه برای از دست دادن انرژی است، الکترونها در اتم برانگیخته، هنگام بازگشت به حالت پایه، نوری با طول موج معین نشر میكنند.
این نور منتشر شده به صورت کوانتوم، دارای طول موج معینی است و خط طیفی ویژهای به وجود میآورد. هر خط طیفی به انتقال الکترونی مشخص مربوط میشود.
اینك میتوان گفت هر نوار رنگی در طیف نشری خطی هر عنصر، پرتوهای نشر شده هنگام بازگشت الکترونها را از لایههای بالاتر به لایههای پایینتر نشان میدهد. از آنجاكه انرژی لایههای الکترونی پیرامون هستهی هر اتم ویژهی همان اتم و به عدد اتمی آن وابسته است، انرژی لایهها و تفاوت انرژی میان آنها در اتم عنصرهای گوناگون، متفاوت است؛ بنابراین انتظار میرود هر عنصر، طیف نشری خطی منحصر به فردی ایجاد كند.
مثال ۲
بیشترین و کمترین طول موج مربوط به طیف نشری خطی اتم هیدروژن، مربوط به انتقال از کدام تراز هاست؟
پاسخ:
بیشترین طول موج (کمترین انرژی) مربوط به رنگ نارنجی و انتقال از n=3 به n=2 است. کمترین طول موج (بیشترین انرژی) مربوط به رنگ بنفش و انتقال از n=6 به n=2 است.
برهمکنش ماده با پرتوهای الکترومغناطیس
با برهمکنش امواج با ساختار الکترونی ماده، چند پدیده اتفاق میافتد. هنگامی که امواج از داخل مادهای عبور میکنند، میتوانند با انجام فعل و انفعالاتی با الکترونهای ظرفیت، مقداری از انرژی خود را از دست دهند؛ در این صورت مقداری از انرژی جذب ماده میشود.
مقدار جذب به برهمکنش امواج با ساختار الکترونی و نوع پیوند بین اتمها، یونها و یا مولکولهای ماده بستگی دارد. بخشی از این ذرات انرژی (فوتونها) میتوانند در هنگام برخورد به سطح بازتاب یابند.
در نهایت، ممکن است تعدادی از فوتونها از ماده عبور کنند؛ اما در صورت عبور، سرعت و جهت حرکت فوتونها تغییر میکند یا به عبارت دیگر پدیده شکست رخ میدهد.
مولکولها علاوه بر داشتن تراز انرژی الکترونی، دارای ترازهای انرژی ارتعاشی و چرخشی هستند. این ترازها به ترتیب از ارتعاش اتمها در مولکول و از چرخش مولکولها حول مرکز جرمی خودشان در فضا ناشی میشوند.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
انرژی لازم برای انتقال الکترونی بیشترین میزان، برای ارتعاش میزان متوسط و برای چرخش، کمترین میزان است. حرکت چرخشی تنها، در انرژیهای پایین در محدوده موج مایکروویو رخ میدهد.
