المطيافية منظار الطيف (Spectroscopy) هي فهم التآثر بين الإشعاع (سواء كان كهرومغناطيسيا أوإشعاع جسيمات) مع المادة والتي تضم الذرات والجزيئات.

أما قياس الطيف (القياسات الطيفية) فهوقياس هذه التآثرات الناتجة عن عملية امتصاص شعاع كهرومغناطيسي أوانبعاث شعاع كهرومغناطيسي أوتبعثر (تشتت ) للطيف الكهرومغناطيسي ، والأجهزة التي تقوم بهذه القياسات التي تدعى مطياف أوراسم طيفي.

تصدر المادة طيفا عند امتصاصها لطاقة ؛ فمثلا إذا قمنا بتسخين بترة من الحديد فإنها تحمر أولا ُم يتغير لونها بارتفاع درجة الحرارة فتصبح برتنطقية اللون، وإذا زادت درجة حرارتها فيميل وميضها إلى الاصفرار. جميع هذا يسمى طيفا . وكذلك تقدر التسبب في احمرار بترة الحديد إذا ما قمت بطرقها بمطرقة مع مواصلة عملية الطرق حتى تحمر، ذلك لأنها تمتص جزءا من طاقة الطرق (طاقة الحركة) وتحوله إلى حرارة وتلك الحرارة تجعلها تصدر وميضا هوالطيف.

إذا قمنا بتحليل طيف بترة الحديد وصورناه على فيلم تصوير فإننا نجده مكون من خطوط من الضوء متوازية متراصة بين خطوط حمراء فخطوط برتنطقي فخطوط صفراء، هذا هوطيف بترة الحديد الساخنة ؛ ويظهر في هيئة خطوط ضوئية لونية لأنها تمثل انتنطقات لإلكترونات الحديد بين مستويات الطاقة المتنوعة للإلكترونات في ذرة الحديد، وعند انتنطق إلكترون من مستوى طاقة في الذرة عالي إلى مستوى طاقة منخفض فهويصدر شعاع ضوء له طاقة تعادل الفرق بين طاقتي المستويين في الذرة .

كذلك عندما نقوم بتسخين بترة من النحاس فهي تصدر أيضا طيفا ضوئيا، ولكن خطوط طيفها تكون مختلفة عن خطوط طيف بترة الحديد الساخن ( اختلاف في أطوال الموجات الضوئية الصادرة (فوتونات)) بسبب اختلاف البنية الإلكترونية الذرية في المادتين . فمن طيف الحديد نتعهد على الحديد ومن طيف النحاس نتعهد على النحاس . والجهاز الذي يقوم بتحليل تلك الأطياف ويظهر خطوطها يسمى مطياف.

بجهاز المطياف يمكننا التعهد على المواد عن طريق تحليل أطيافها .

كيف ينشأ الطيف

سنأخذ مثال الطيف الضوئي الذي نعهده لضوء الشمس. تحتوي الشمس في معظمها على عنصر الهيدروجين . هذا الهيدروجين في درجات حرارة عالية بحيث يقفز إلكترون ذرة الهيدروجين إلى مستوى طاقة عالية في ذرة الهيدروجين. أي حتى الإلكترونقد يكون مثارا أوذرة الهيدروجين تكون مثارة بحيث حتى ذرة الهيدروجين لا تستطيع البقاء مثارة طوال الوقت ؛ فبعد فترة وجيزة يعود الإلكترون إلى مستواه الأرضي - إلى مستوى طاقة أقل - بعدما يتخلص من جزء من الطاقة التي تسببت في إثارته. تلك الطاقة التي يتخلص منها هي الفرق بين طاقته أثناء الإثارة وطاقة بعد هبوطه إلى مستوى طاقة أقل في ذرة الهيدروجين. ويطلق تلك الطاقة في هيئة شعاع ضوء . ويكون لدى شعاع الضوء تردد متناسبا مع طاقتة . أي إذا كانت طاقة الشعاع عالية كان تردد موجته عالية، وإذا كانت طاقة الشعاع منخفضةقد يكون تردد موجة الشعاع منخفضة.

قد يعود إلكترون ذرة الهيدروجين من مستوى طاقة رقمخمسة إلى مستوي تحته مثالا إلى مستوي طاقة رقم ثلاثة ؛ أوقد يعود إلى مستوى طاقة رقم 2 ألوإلى المستوي الأرضي رقم 1. في جميع تلك الحالات تختلف كمية الطاقة التي تصدر من جميع قفزة من تلك القفزات عن الأخرى، وتبدوكخطوط طيف على حائل عندما تنكسر على موشور .

إذا قمنا في المعمل بتسخين الصوديوم مثلا إلى درجة عالية نجد أنه يشع ضوءا أصفرا برتنطقيا، وإذا قمنا بتحليل طيفه هذا لوجدنا حتى له خطوطا طيف تختلف عن خطوط طيف الهيدروجين. الاختلاف يظهر كاختلاف في ترددات الأشعة الصادرة من الصوديوم عن ترددات الاشعة الصادرة من الهيدروجين. فكل عنصر كيميائي له بصمة هي طيفه ؛ ويمكن التعهد على العنصر من طيفه (بصمته).

وطيف عنصر يمكن رسمه في رسم بياني يعطي العلاقة بين شدة خطوط الطيف ووتردداتها ، أوطول موجة خط الطيف. والعلاقة بين تردد شعاع ضوء (موجة كهرومغناطيسية) ${\displaystyle \mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}$${\displaystyle E\,$ تعطى بالمعادلة:

${\displaystyle E=h\cdot \nu \,$

حيث ${\displaystyle h}$

أساس فهمنا لتكوين الطيف يعود إلى نموذج بور لذرة الهيدروجين . وبواسطة هذا النموذج يمكن تفسير امتصاص الذرة وإصدارها فوتونات (أشعة ضوئية) عند انتنطق الإلكترون بين مستويات الطاقة المتنوعة في الذرات . الطاقة الممتصة وبالتالي الطاقة الصادرة ${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}E}$

وتنطبق عليها المعادلة:

${\displaystyle \Delta E=E_{n -E_{m =h\cdot \nu \,$

وعندماقد يكون الفرق ${\displaystyle E_{n >E_{m \,$ موجبا، تكون الحالة حالة أصدار لشعاع، وإذا كان الفرق سالبا، أي ${\displaystyle E_{n <E_{m \,$ كانت الحالة حالة امتصاص شعاع (امتصاص فوتون).

وبنيات جميع طيف تشير إلى الطاقات المتنوعة التي يستطيع عنصر امتصاصها أوإشعاعها (إصدارها). كميات الطاقة هذه تعادل الفرق بين طاقات المستويات المتنوعة في العينة. ويعتمد طيف عنصر ما على هجريزه في العينة وعلى الانتنطقات المسموحة لانتنطق الإلكترون فيه.

استخداماتها

تاريخيا، أشير للمطيافية على أنها أحد فروع العلوم الذي يستخدم فيه الضوء المرئي لدراسة بنيات المادة وللتحليل النوعي والكمي لها. وكان نصرا كبيرا عند فهم مكونات الشمس من مجرد تحليل طيف ضوئها، ونحن هنا على الأرض، فنعهد أنها في معظمها تتكون من الهيدروجين مع قليل من الهيليوم (نحو4% )وقليل من الليثيوم (أقل من 1% ) . (يوجد في قلب الشمس أيضا الحديد والعناصر الأخرى كالكربون والأكسجين والنتروجين وغيرها بنسبة صغيرة ولكن الحديد على الأخص لا يظهر على السطح . سطح الشمس هوالذي يصدر الضوء الذي نتلقاه منها وهومكون من الهيدروجين والهيليوم والليثيوم). كان ذلك نصرا عظيما للمطيافية. وبتطبيق الطريقة على النجوم وجدنا حتى أغلبها يماثل الشمس في تكوينها وطيفها ؛ إلا حتى للنجوم أجيال وأجيال ولهذا تختلف أطيافها عن طيف الشمس . وهذا الموضوع له متخصصيه في فهم الفلك .

ثم تم توسيع تعريف المطيافية بعد إدخال وتطوير تقنيات جديدة لإنتاج الأشعة، مثل الأشعة السينية والأشعة الراديوية وأشعة الرادار واكتشفنا أشعة غاما التي تصدرها بعض الذرات . واتضح لنا حتى الطيف أعرض بكثير من الحيز الضيق الذي نسمية الطيف المرئي ؛ فكلها أنواع من الأشعة الكهرومغناطيسية ولكنها تختلف فيما تحمله من طاقة . أشدها طاقة هي أشعة غاما.

المطيافية تسخدم غالبا في الكيمياء الفيزيائية والتحليلية للتحليل النوعي والكمي للمواد الكيميائية سواء كانت ذرية باستخدام الاطياف الذرية لتلك العناصر أولتحليل الجزيئات . يتم ذلك بتسليط الأشعة المرئية على العينة أوأشعة فوق البنفسجية أوأشعة تحت الحمراء للتفاعل معها، اذ تمتص منها بعض ذرات العنصر، وقياس ما يصدر منها من ضوء أوموجات كهرومغناطيسية . وابتكرت أنواع مختلفة من المطيافات ، فمنها مطيافية الأشعة فوق البنفسجية ومطيافية الأشعة تحت الحمراء ومطيافية إلكترون أوجيه ، ومطيافية الانبعاث الضوئي ، وغيرها .

وابتكرت أنواع تستخدم أيضا بكثرة في فهم الفلك والاستشعار عن بعد . تزود التلسكوبات الكبيرة دوما بمطياف أومطيافات مختلفة لقياس إما الهجريب الكيميائي أوالخواص الفيزيائية للأجرام الفلكية أوقياس السرعات حسب انزياح دوبلر لخطوطهم الطيفية.

مراجع

انظر أيضا

• تاريخ التحليل الطيفي
• مطياف
• خط طيف
• مطياف بصري
• مطيافية فلكية
• مطيافية إلكترون أوجيه
• مطيافية الأشعة تحت الحمراء
• مطيافية الرنين المغناطيسي النووي
• مطيافية جسيمات ألفا