طيف امتصاص الهيدروجين

إن الذرات لا تبعث فقط بالضوء وإنما تمتصه أيضاً. ولكي نتعرف على امتصاص الضوء، سنقوم بفحص ما يحدث خلال التجربة المرسومة في الشكل (1 أ). حيث تخترق حزمة من الضوء فوق البنفسجي، أنبوبة مملوءة بذرات الهيدروجين. تحتوي الحزمة الساقطة على طيف مستمر (أي على مدى متصل من الاطوال الموجية) كما هو موضع بالشكل (1 ب). إلا أن أطوالاً موجية محددة ستختفى كما هو مشاهد من الحزمة النافذة؛ ولذلك يبدو الطيف كما يصور الشكل   (1 جـ) عندما يفحص الضوء النافذ بواسطة إسبكتروجراف (مطياف). ونود الآن أن نكتشف أي الاطوال الموجية تم امتصاصه من جانب ذرات الهيدروجين.

ولعمل هذا ، علينا أن نفحص ما يحدث عندما تتصادم الفوتونات التي تحملها الحزمة الساقطة مع ذرات الهيدروجين. إن الذرات تكون في الحالة الأرضية لها في الظروف العادية. وعندما يرتطم فوتون بإحدى الذرات، فإن الفوتون إما أن يفقد كل طاقته أولا يفقط شيئاً على الإطلاق. وبعبارة أخرى، فإن الفوتون لا يمكن امتصاصه جزئياً. والعامل الأساسي الذي يحدد إمكانية حدوث أي من هاتين العمليتين هو ما يلي: عندما تكون طاقة الفوتون الذي يصطدم بالإلكترون مساوية تماماً لفرق الطاقة بين المستوى n = 1 ومستوى آخر، فإن الفوتون سيمتص، وإلا فإنه لابد أن يظل محتفظاً بطاقته الأصلية.

الشكل (1): تمتص ذرات الهيدروجين أطوالاً موجية محددة فقط من الطيف المستمر الساقط عليها. ما هي تلك الأطوال الموجية؟

والسبب في هذا بسيط للغاية. فحيث أن الإلكترونات في ذرة الهيدروجين لا يمكنه إلا احتلال أحد مستويات الطاقة المحددة لذا لا يمكنه أن يتلقى إلا مقادير الطاقة اللازمة لنقله من أحد المستويات إلى الآخر. وتنتهي هذه الانتقالات كما يوضح الشكل 27-11 إلى الطاقات التي تناظر ظهور سلسلة خطوط ليمان (في حالة الانبعاث). وعلى ذلك سيكون للفوتونات التي طولها الموجي مساو لنفس الطول الموجي للخط الأول من سلسلة ليمان (121.6 nm) ما يكفى من الطاقة لاستثارة الذرة من  المستوى n =1 إلى المستوى n =2 وهكذا يتم امتصاصها بواسطة الذرة.

وبالمثل يتم امتصاص الفوتونات التي أطوالها الموجية مكافئة لأي من الخطوط الاخرى في سلسلة ليمان، بواسطة ذرات الهيدروجين ذات المستوى الأرضي ولن يتم امتصاص فوتونات ذات اطوال موجية متوسطة ذات الأطوال الموجية الأقل من سلسلة ليمان، وهو 91.2 nm، يمكن أن تمتص. إذ إن لهذه الفوتونات ما يكفى من الطاقة لكي تستثير إلكتروناً إلى داخل منطقة مستويات الطاقة المتواصلة (المستمرة) حيث E_tot ≥ 0. وتقوم الفوتونات التي لها هذا القدر الوافر من الطاقة بانتزاع الإلكترون تماماً من الذرة (أي أنها تؤين الذرة) ثم تعطى الإلكترون المحرر طاقة حركة إضافية. ويتشابه هذا النوع من عمليات امتصاص الفوتون مع الانبعاث الكهروضوئي للإلكترونات من جسم صلب، ويشار إليه على أنه الأثر الكهروضوئي الذري.

يمكننا الآن، بناء على ما قبل، أن نتنبأ بما سيحدث عندما يخترق طيف مستمر من الإشعاع غازاً من الهيدروجين الذري. ستمر معظم الاطوال الموجية دون امتصاص لأن فوتوناتها لا تمتلك الطاقات المناسبة لاستثارة الذرة نحو حالة طاقة مسموح بها. إلا أن الأطوال الموجية المناظرة لخطوط في سلسلة ليمان سيتم امتصاصها لأن الفوتونات المناظرة تمتلك الطاقة المناسبة لاستثارة الذرة نحو حالة طاقة مسموح بها. وسوف نطلق على مثل طيف الامتصاص هذا طيف الامتصاص الخطي. وكل الاطوال الموجية الأقصر من حد سلسلة ليمان سوف يتم امتصاصها، لأن هذه الفوتونات سوف نؤين الذرة وتحمل الإلكترون إلى داخل منطقة الطاقة المتصلة. ويطلق على الامتصاص في هذه المنقطة من الأطوال الموجية، وهي بالمناسبة ليست مبينة في الشكل 1)), طيف الامتصاص المستمر، لأن الامتصاص يشمل مدى مستمر من الاطوال الموجية.