طيف (فيزياء)

الطيف في قوس المطر

طيف في مسطرة تصلها أشعة الضوء من زوايا معينة

الطيف (بالإنجليزية: Spectrum)‏ مصطلح يطلق على أي فئة من الكيانات المتشابهة أوالخصائص المرتبة حصرًا وفق زيادة أونقصان الكمية. وعمومًا، فإن الطيف يمثل عرض أومخطط لكثافة الإشعاع (إشعاع جسيمات، أوفوتونات، أوصوتي) كتابع للكتلة، أوكمية الحركة، أوطول الموجة، أوالتردد، أوبعض الكمية الأخرى ذات الصلة. على سبيل المثال، يمثل طيف جسيمات بيتا توزيع الطاقة الحركية للإلكترونات سالبة الشحنة الصادرة تلقائيًا من بعض النوكليدات النشطة إشعاعيًا.

وعندما يصدر عنصر مشع جسيمات ألفا فإنها تنتج طيفا من جسيمات ألفا ذا طاقة واحدة معينة أوأكثر.

ينتج الطيف الكتلي عندما تمر جسيمات مشحونة (ذرات مختلفة أوجزيئات مهتلفة متأينة) خلال مطياف الكتلة فتنحرف تحت تأثير حقل كهربائي أوحقل مغناطيسي مسلط عليها بحسب نسبة الشحنة إلى الكتلة . يزيد الانحراف حدثا صغرت كتلة الجزيئات . بهذا فإن مطياف الكتلة يعزل الجزيئات الخفيفة عن الجزيئات الثقيلة.

طيف الصوت هوتوزيع ترددات الصوت المتنوعة الصادرة من مصدر صوتي معين، ومثلا لكل إنسان له طيف صوتي خاص به ولا يشاركه فيه أحد . ويمكن التعهد على الشخص من طيف صوته، وهووسيلة تشبه البصمة للتعهد على الاشخاص، وتعتمد على تحليل طيف صوتهم .

طيف كهرومغناطيسي هوطيف الموجات الكهرومغناطيسية ، والطيف الكهرومغناطيسي هوالأعم، فإنه يضم أشعة غاما ذات الطاقة العالية، والأشعة السينية متوسطة الطاقة، والأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء ذات طاقة ضعيفة، والأشعة ذات طاقة أضعف وهي الأشعة الراديوية .

أي حتى الطيف المرئي هوجزء من الطيف الكهرومغناطيسي لأن الضوء المرئي ما إلا موجات كهرومغناطيسية.

وبحسب مجال الدراسة والاستخدام فيمكن الكلام عن مطيافية الأشعة تحت الحمراء أوعن طيف الموجات الراديوية أوطيف الأشعة السينية . ولكنها كلها نطاقات مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يضمهم جميعا . وكل من تلك النطاقات يتميز بنطاق معين من طول الموجة أوالتردد .

طيف الإصدار

طيف الضوء المرئي.

طيف الهيدروجين المرئي من مجموعة خطوط بالمر. الخط H-ألفا هوالخط البرتنطقي إلى اليمين. والخطوط إلى اليسار فهي من الأشعة فوق البنفسجية حيث طول موجاتها أقصر من 400 نانومتر.

ينتج طيف الإصدار عن الإشعاعات الصادرة عن منبع ضوئي، ويصدر الضوء عندما تكون الذرات أوالجزيئات في حالة إثارة وهذا يحدث إما بالتسخين وكذلك عندما يمر التيار الكهربائي في المصباح فتصطدم الإلكترونات بإلكترونات مادة الفتيل المعدني وتثيرها فتشع ضوءاً، ويقول الفيزيائي إذا المصباح يصدر فوتونات أي أشعة ضوئية. فإذا وجهنا هذه الأشعة إلى منشور زجاجي فإنه يحلل ضوء المصباح إلى عدة إشعاعات منفصلة تبدوكخطوط ملونة مميزة للمصباح . ووفقاً لطبيعة المنبع الضوئي، يمكن لطيف الإصدار حتىقد يكون طيفا مستمراً (خطوطه متلاصقة لكثرتها ) أومتبترًا (خطوطه منفصلة وقليلة)، ويسمى الخط منهم خط طيفي (بالإنجليزية: Spectral line)‏، وإذا تعددت الخطوط الطيفية فتسمى نطاق طيفي (بالإنجليزية: Spectral bands)‏

طيف امتصاص

ينتج الطيف الامتصاصي في الإشعاع الصادر المستمر (كثير الخطوط الطيفية) عندما يتخلل مادة تخفض شدة الإشعاع بسبب امتصاص المادة لبعض خطوط طيف المصدر الضوئي . يحدث ذلك الامتصاص عندما تتوافق طول موجة ضوئية معينة من المصدر مع طول الموجة نفسها في المادة الممتصة . عندئذ تمتص المادة تلك الموجة الضوئية بذاتها، فتختفي من طيف الإصدار للمصدر الضوئي، وتظهر في هيئة خط أسود . الخطوط المزالة من الطيف المستمر عند تخلخله في الوسط الماص هي تلك التي ستظهر كخطوط سوداء بسبب امتصاصها .

تُعهد تبادلية الإصدار والامتصاص بمبدأ كيرشوف، الذي يشرح، مثلا طيف الامتصاص الشمسي حيث يظهر فيه آلاف الخطوط الطيفية السوداء لعناصر غازية في جوالشمس في طيفها المستمر.

طيف الجسم الساخن

يحتوي الطيف المستمر سلسلة مستمرة من الموجات أوالترددات ضمن نطاق طويل. جميع الأجسام التي ليست في درجة الصفر المطلق من اجسام صلبة، وسائلة، وغازات تصدر طيفا مستمرًا، مثل فتيل مصباح متوهج أوفي الفرن العالي. ينتج الطيف المستمر عمومًا في درجات الحرارة العالية . وبينت التجربة حتى توزيع ترددات الأشعة الصادرة من جسم معين عند درجة حرارة 1500 كلفن مثلا لا يتغير شكله عندما يبرد الجسم إلى درجة حرارة 500 مثلا . جميع ماهنالك حتى منحنى التوزيع ينزاح بأكمله في اتجاه الموجات الطويلة، حتي إذا تُرك الجسم ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة (300 كلفن) فإن منحنى التوزيع يحتفظ بشكله ولكنه ينزاح في اتجاه موجات أطول . ويُعبر عن توزيع أطوال الموجات وبالتالي توزيع طاقة الأشعة الصادرة من جسم ساخن واعتمادها على درجة الحرارة ب قانون بلانك.

التردد وطول الموجة

ترتبط التردد لشعاع بطول موجته بالعلاقة :

{\displaystyle f={\frac {c {\lambda

حيث أن:

{\displaystyle f

{\displaystyle c

هي سرعتها

{\displaystyle \lambda

بالنسبة للضوء والموجات الكهرومغناطيسية تكون c هي سرعة الضوء والتي تبلغ في الفراغ نحو300.000 كيلومتر في الثانية .

أي أنه توجد علاقة عكسية بين التردد وطول الموجة، لأن سرعة الضوء ثابته لا تتغير في الفراغ .

(إشارة : تنطبق نفس المعادلة السابقة أيضا على تردد الصوت وطول موجته وسرعته، مع الفهم حتى سرعة الصوت في الهواء تبلغ 340 متر في الثانية عند درجة حرارة 20 درجة مئوية وعلى ازدياد سطح البحر) .