تاریخچه طیف سنجی و اسپکتروفتومتری: از منشور نیوتن تا اتم بور

امروزه اسپکتروفتومتری و طیف سنجی نوری نقش مهمی در علوم تجزیه ای، پژوهش های علمی و کنترل کیفیت در صنایع دارند. اما این ابزارهای قدرتمند حاصل قرن ها کار پژوهشگران بسیاری هستند که هر کدام گامی در شناخت ماهیت نور و طیف برداشتند.

واژه طیف (Spectrum) از ریشه ای لاتین به معنای ظاهر یا چیزی برای دیدن گرفته شده است. در علم، طیف به نمایش اجزای تشکیل دهنده یک تابش بر حسب طول موج گفته می شود. طیف سنجی علم مطالعه این طیف هاست و طیف سنج یا اسپکترومتر ابزاری است که برای ثبت آنها به کار می رود.

در این مقاله، سیر تحول طیف سنجی نوری را از نخستین مشاهدات تا پیدایش نظریه کوانتومی و اسپکتروفتومترهای امروزی دنبال می کنیم.

پیش از نیوتن: نخستین گام ها

رنگ های رنگین کمان از دیرباز شناخته شده بودند، اما به ماهیت طیفی نور توجه چندانی نمی شد.

• ابن سهل، دانشمند ایرانی قرن دهم میلادی، رابطه ای را برای شکست نور توصیف کرد که قرن ها بعد به نام قانون اسنل شناخته شد.

• ابن هیثم در قرن یازدهم میلادی با کتاب المناظر، پایه های علم نورشناسی تجربی را بنا نهاد.

• در حدود سال ۱۳۰۰ میلادی، کمال الدین فارسی، دانشمند ایرانی، و تئودوریک فرایبورگی، دانشمند آلمانی، به طور مستقل با آزمایش روی کره های شیشه ای پر از آب، چگونگی تشکیل رنگین کمان در اثر شکست و بازتاب نور در قطره های باران را توضیح دادند.

• راجر بیکن، فیلسوف انگلیسی قرن سیزدهم، نیز درباره رنگ های ایجاد شده در عبور نور از بلورها و آب مطالعاتی انجام داده بود.

• در سال ۱۶۲۱، ویلبرورد اسنل قانون شکست نور را به شکل امروزی بیان کرد که پایه طراحی عدسی ها و منشورها شد. برای آشنایی بیشتر، مقاله [شکست نور] را بخوانید.

نیوتن و منشور: آغاز طیف سنجی

کشف طیف سنجی معمولا به آیزاک نیوتن نسبت داده می شود، اما کار او نیز بدون دستاوردهای پیشینیانش ممکن نبود.

نیوتن در حدود سال ۱۶۶۶ آزمایش های معروف خود را با منشور انجام داد و نشان داد که نور سفید خورشید از مجموعه ای پیوسته از رنگ ها تشکیل شده است. تجهیزات او ساده بودند:

• یک روزنه کوچک برای ایجاد باریکه ای از نور خورشید

• یک منشور شیشه ای برای پاشندگی نور

• یک عدسی برای متمرکز کردن نور

• یک پرده برای نمایش طیف

نیوتن برای این نوار رنگی از واژه طیف استفاده کرد. او همچنین نشان داد که اگر نور رنگی از یک منشور دوم در جهت مخالف عبور کند، دوباره به نور سفید تبدیل می شود. این آزمایش ثابت کرد که منشور رنگ ها را ایجاد نمی کند، بلکه رنگ های موجود در نور سفید را از هم جدا می کند.

تحلیل نیوتن از نور را می توان آغاز علم طیف سنجی دانست. با این حال، دستگاه او تفکیک کافی برای دیدن جزئیات طیف را نداشت و تا حدود یک و نیم قرن بعد، پیشرفت چندانی در شناخت ماهیت طیف ها رخ نداد.

کشف نور نامرئی: فروسرخ و فرابنفش

در آغاز قرن نوزدهم، مشخص شد که نور خورشید اجزایی خارج از ناحیه مرئی نیز دارد:

کشف فروسرخ

در سال ۱۸۰۰، ویلیام هرشل، اخترشناس آلمانی انگلیسی، میزان گرمای رنگ های مختلف طیف خورشید را با قرار دادن دماسنج های حساس در نقاط مختلف طیف اندازه گیری کرد. او با شگفتی دید که بیشترین افزایش دما در ناحیه ای فراتر از انتهای قرمز طیف، جایی که هیچ نوری دیده نمی شد، رخ می دهد. هرشل در واقع نور فروسرخ را کشف کرده بود.

کشف فرابنفش

یک سال بعد، در سال ۱۸۰۱، یوهان ویلهلم ریتر، فیزیکدان آلمانی، اثر نور خورشید را بر مواد شیمیایی بررسی کرد. او می دانست که کلرید نقره در نور تیره می شود و متوجه شد که این ماده در ناحیه ای فراتر از انتهای بنفش طیف، حتی سریع تر از نور بنفش، سیاه می شود. ریتر به این ترتیب نور فرابنفش را کشف کرد.

این دو کشف به ترتیب پایه اندازه گیری های گرمایی و عکاسی از تابش ها شدند.

ماهیت موجی نور

در سال های ۱۸۰۱ تا ۱۸۰۳، توماس یانگ، دانشمند انگلیسی، با آزمایش معروف دو شکاف، ماهیت موجی نور را نشان داد. وقتی نور از دو شکاف نزدیک به هم عبور می کند، روی پرده الگویی از نوارهای روشن و تاریک ایجاد می شود که فقط با تداخل امواج قابل توضیح است. یانگ با استفاده از این آزمایش ها، طول موج رنگ های مختلف نور مرئی را محاسبه کرد و محدوده ای تقریبا بین ۴۲۴ تا ۶۷۵ نانومتر به دست آورد. برای آشنایی بیشتر، مقاله تداخل سنجی نوری را بخوانید.

خطوط تاریک خورشید: ولاستون و فرانهوفر

ولاستون

در سال ۱۸۰۲، ویلیام هاید ولاستون، شیمیدان انگلیسی، دستگاه نیوتن را با استفاده از یک شکاف باریک به جای روزنه گرد بهبود داد. او در طیف خورشید چند خط تاریک دید، اما گمان کرد این خطوط مرزهای طبیعی بین رنگ ها هستند و اهمیت زیادی برای آنها قائل نشد.

فرانهوفر: پدر طیف سنجی

در سال ۱۸۱۴، یوزف فون فرانهوفر، سازنده آلمانی شیشه های اپتیکی، با دستگاهی بسیار دقیق تر، طیف خورشید را به دقت بررسی کرد و بیش از ۵۰۰ خط تاریک را ثبت و نقشه برداری کرد. این خطوط امروزه به خطوط فرانهوفر معروف هستند. فرانهوفر مهم ترین آنها را با حروف الفبا، مانند D برای خط زرد سدیم، نام گذاری کرد که هنوز هم استفاده می شود.

فرانهوفر برای کار خود به عنوان سازنده عدسی ها، از این خطوط به عنوان مرجع دقیق برای اندازه گیری ضریب شکست شیشه ها استفاده کرد. او در حدود سال ۱۸۲۱ با پیچیدن سیم های بسیار نازک روی دو پیچ موازی، نخستین توری پراش را ساخت و با آن، برای نخستین بار طول موج خطوط طیفی را مستقیما اندازه گیری کرد. او دریافت که توری پراش نور را مانند منشور پخش می کند، اما مزایای مهمی دارد؛ از جمله اینکه پراکندگی آن به جنس شیشه بستگی ندارد و امکان اندازه گیری مستقیم طول موج را فراهم می کند.

فرانهوفر همچنین طیف نور ستارگان را بررسی کرد و دید که الگوی خطوط تاریک آنها با خورشید متفاوت است. او حدس زد که برخی از این خطوط به ترکیب ستارگان و برخی به جو زمین مربوط هستند. به دلیل این دستاوردها، گاهی از فرانهوفر به عنوان پدر طیف سنجی یاد می شود. برای آشنایی با توری پراش، مقاله اجزای طیف سنج نوری را بخوانید.

طیف سنجی به یک علم تبدیل می شود: کیرشهوف و بونزن

مشاهدات پیش از کیرشهوف

در دهه های میانی قرن نوزدهم، پژوهشگران زیادی طیف شعله ها، قوس های الکتریکی و جرقه ها را بررسی کردند و دیدند که این منابع، خطوط روشن مشخصی گسیل می کنند که به عناصر موجود در آنها بستگی دارد. در حدود سال ۱۸۴۹، لئون فوکو، فیزیکدان فرانسوی، مشاهده کرد که شعله حاوی سدیم، نور زرد یک قوس الکتریکی قوی را جذب می کند. این یکی از نخستین نمایش های آزمایشگاهی طیف جذبی بود.

کشف بزرگ

نخستین گام واقعی در درک خطوط فرانهوفر، در حدود سال ۱۸۵۹ توسط گوستاو کیرشهوف، فیزیکدان آلمانی، و رابرت بونزن، شیمیدان آلمانی، برداشته شد؛ ۳۳ سال پس از مرگ فرانهوفر. بونزن چراغی ساخته بود که شعله ای تقریبا بی رنگ تولید می کرد و امکان بررسی دقیق رنگ عناصر را فراهم می کرد.

آنها نشان دادند که:

• هر عنصر در شعله، خطوط طیفی منحصر به فردی گسیل می کند.

• طول موج خطوط گسیلی عناصر دقیقا با برخی از خطوط تاریک فرانهوفر در طیف خورشید منطبق است.

• بنابراین خطوط فرانهوفر نتیجه جذب نور توسط عناصر موجود در لایه های بیرونی خورشید هستند.

این کشف نشان داد که با مطالعه طیف نور یک منبع، حتی منبعی به دوری خورشید، می توان ترکیب شیمیایی آن را تعیین کرد. به این ترتیب نخستین آنالیز شیمیایی جو خورشید انجام شد و اخترشناسی به اخترفیزیک تبدیل شد.

قوانین کیرشهوف در طیف سنجی

کیرشهوف نتایج این پژوهش ها را در سه قانون خلاصه کرد:

1. یک جسم جامد، مایع یا گاز چگال داغ، طیف پیوسته گسیل می کند.

2. یک گاز رقیق داغ، طیف خطی گسیلی (خطوط روشن) گسیل می کند.

3. اگر یک گاز رقیق سردتر جلوی یک منبع با طیف پیوسته قرار گیرد، طیف جذبی (خطوط تاریک) ایجاد می شود. این خطوط تاریک در همان طول موج هایی قرار دارند که همان گاز در حالت داغ گسیل می کند.

کشف عناصر جدید

کیرشهوف و بونزن با همین روش، دو عنصر جدید را کشف کردند: سزیم در سال ۱۸۶۰ (از خطوط آبی رنگ آن) و روبیدیم در سال ۱۸۶۱ (از خطوط قرمز آن). این موفقیت، طیف سنجی را به یک ابزار علمی قدرتمند برای بررسی ساختار اتم ها و مولکول ها و آنالیز شیمیایی مواد تبدیل کرد. برای آشنایی با روش های امروزی بر پایه همین اصول، مقاله طیف سنجی نشری را بخوانید.

نیمه دوم قرن نوزدهم: جمع آوری داده ها و ابزارهای بهتر

در این دوره، حجم عظیمی از داده های طیفی جمع آوری شد و خطوط مشخصه هر عنصر با دقت اندازه گیری شدند:

• در سال ۱۸۶۸، آندرس یوناس آنگستروم، فیزیکدان سوئدی، طول موج حدود ۱۰۰۰ خط طیف خورشید را با دقت بالا منتشر کرد. یکای طول آنگستروم (۱۰ به توان منفی ۱۰ متر) به افتخار او نام گذاری شده است.

• جورج استوکس با استفاده از منشور کوارتزی (چون شیشه معمولی نور فرابنفش را جذب می کند) و یک صفحه فلورسنت، طیف فرابنفش را قابل مشاهده کرد.

• در حدود سال ۱۸۸۰، ساموئل لنگلی آشکارسازی بسیار حساس به نام بولومتر ساخت که راه را برای بررسی دقیق طیف های فروسرخ هموار کرد.

توری های پراش دقیق

نخستین توری های پراش دقت کافی نداشتند و خطوط موازی آنها ناهمسان بود. هرچه خطوط دقیق تر و نزدیک تر به هم باشند، تفکیک طیف بیشتر است. هنری رولند، فیزیکدان آمریکایی، در دهه ۱۸۸۰ با ساخت ماشین خط کشی بسیار دقیق، توری های پراش با کیفیت بی سابقه، از جمله توری های مقعر، تولید کرد. او با این توری ها، اطلس دقیقی از طول موج های خورشید منتشر کرد و انقلابی در طیف سنجی ایجاد کرد.

الگوهای ریاضی در خطوط طیفی

پژوهشگران به دنبال نظم در خطوط طیفی بودند:

• در سال ۱۸۸۵، یوهان بالمر، معلم ریاضی سوئیسی، فرمولی ساده ارائه کرد که طول موج خطوط مرئی هیدروژن را به دقت پیش بینی می کرد. این خطوط امروزه سری بالمر نامیده می شوند.

• یوهانس ریدبرگ این فرمول را تعمیم داد و برای خطوط هیدروژن در نواحی دیگر و فلزات قلیایی به کار برد.

• در سال ۱۹۰۶، تئودور لیمان سری خطوط هیدروژن در ناحیه فرابنفش را کشف کرد که سری لیمان نام گرفت و فریدریش پاشن سری خطوط فروسرخ هیدروژن را بررسی کرد.

اثر زیمن

در سال ۱۸۹۶، پیتر زیمن، فیزیکدان هلندی، کشف کرد که خطوط طیفی در یک میدان مغناطیسی به چند خط شکافته می شوند. هندریک لورنتس در سال ۱۸۹۷ این پدیده را با نظریه کلاسیک توضیح داد. این دو دانشمند در سال ۱۹۰۲ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.

استانداردهای طول موج

در اوایل قرن بیستم، نخستین استانداردهای بین المللی طول موج تعیین شدند که امکان اندازه گیری طول موج با دقت بی سابقه و مقایسه نتایج آزمایشگاه های مختلف را فراهم کردند.

نظریه کوانتومی و توضیح خطوط طیفی

با وجود این همه داده، هنوز کسی نمی دانست چرا هر عنصر خطوط طیفی مشخصی دارد. پاسخ این پرسش با نظریه کوانتومی به دست آمد:

• در سال ۱۹۰۰، ماکس پلانک برای توضیح طیف تابش جسم سیاه، فرض کرد که انرژی فقط به صورت بسته های گسسته یا کوانتوم ها جذب و گسیل می شود. این فرض، آغاز فیزیک کوانتومی بود.

• در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین با توضیح اثر فوتوالکتریک نشان داد که نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است.

مدل اتمی بور

در سال ۱۹۱۳، نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، این ایده ها را در مدل اتمی هیدروژن خود به کار برد. او مدل رادرفورد را که در آن الکترون ها به دور هسته می چرخیدند، گسترش داد و فرض کرد:

• الکترون ها فقط در مدارهای مجاز با انرژی مشخص حرکت می کنند.

• الکترون در این مدارها، برخلاف پیش بینی فیزیک کلاسیک، نور گسیل نمی کند.

• نور فقط زمانی گسیل یا جذب می شود که الکترون از یک مدار به مدار دیگر جهش کند و انرژی فوتون برابر با اختلاف انرژی دو مدار است.

مدل بور فرمول های تجربی بالمر و ریدبرگ را به طور کامل توضیح داد و مقدار ثابت ریدبرگ را از اصول نظری محاسبه کرد. بر اساس این مدل، هر خط طیفی نشان دهنده اختلاف انرژی دو تراز و هر سری خطوط، گذارهایی به یک تراز مشترک است. برای آشنایی بیشتر، مقاله قانون بیر لامبرت که به ترازهای انرژی و جذب نور می پردازد را بخوانید.

مکانیک کوانتومی

مدل بور برای اتم های پیچیده تر کافی نبود. در اواسط دهه ۱۹۲۰، ورنر هایزنبرگ و اروین شرودینگر با توسعه مکانیک کوانتومی، چارچوب کاملی برای توضیح ساختار اتم ها و مولکول ها و طیف آنها ارائه کردند. از آن زمان، طیف سنجی و نظریه کوانتومی همواره همراه هم پیشرفت کرده اند.

از آزمایشگاه به صنعت: اسپکتروفتومترهای امروزی

با درک ماهیت طیف ها، طیف سنجی به سرعت به ابزاری برای آنالیز شیمیایی تبدیل شد:

• در اوایل دهه ۱۹۴۰، آرنولد بکمن نخستین اسپکتروفتومتر تجاری با کاربرد گسترده را ساخت که آنالیزهای چندروزه را به چند دقیقه کاهش داد.

• در دهه های بعد، اسپکتروفتومترهای دو پرتو، طیف سنج های فروسرخ و سپس طیف سنج های تبدیل فوریه توسعه یافتند.

• با پیدایش آشکارسازهای آرایه ای مانند CCD و CMOS، اسپکتروفتومترهای امروزی می توانند کل طیف را در کسری از ثانیه ثبت کنند.

امروزه بلورآزما با تولید اسپکتروفتومترهای مبتنی بر آشکارساز آرایه ای CMOS، این مسیر طولانی را در ایران ادامه می دهد. برای آشنایی با اصول و اجزای این دستگاه ها، مقاله دستگاه اسپکتروفتومتر را بخوانید.

گاه شمار مهم ترین رویدادها

سوالات متداول

چه کسی طیف سنجی را کشف کرد؟

آغاز طیف سنجی معمولا به آیزاک نیوتن نسبت داده می شود که در حدود سال ۱۶۶۶ نور سفید را با منشور به رنگ های آن تجزیه کرد.

خطوط فرانهوفر چیست؟

خطوط تاریکی در طیف خورشید که فرانهوفر در سال ۱۸۱۴ نقشه برداری کرد و ناشی از جذب نور توسط عناصر موجود در لایه های بیرونی خورشید هستند.

کیرشهوف و بونزن چه کشفی کردند؟

آنها نشان دادند که هر عنصر خطوط طیفی منحصر به فردی دارد و با این روش ترکیب شیمیایی خورشید را تعیین و دو عنصر سزیم و روبیدیم را کشف کردند.

نور فروسرخ و فرابنفش چه زمانی کشف شدند؟

فروسرخ در سال ۱۸۰۰ توسط ویلیام هرشل و فرابنفش در سال ۱۸۰۱ توسط یوهان ریتر کشف شد.

نقش دانشمندان ایرانی در تاریخچه نورشناسی چه بود؟

ابن سهل قانون شکست نور را در قرن دهم توصیف کرد و کمال الدین فارسی در حدود سال ۱۳۰۰ چگونگی تشکیل رنگین کمان را توضیح داد.

جمع بندی

طیف سنجی نوری حاصل قرن ها کار دانشمندان بسیاری است. از توصیف شکست نور توسط ابن سهل و توضیح رنگین کمان توسط کمال الدین فارسی، تا تجزیه نور سفید با منشور نیوتن، کشف فروسرخ و فرابنفش، نقشه برداری خطوط تاریک خورشید توسط فرانهوفر و ساخت نخستین توری پراش، این مسیر ادامه یافت. کیرشهوف و بونزن با نشان دادن اینکه هر عنصر طیف منحصر به فردی دارد، طیف سنجی را به یک علم تبدیل کردند و نظریه کوانتومی پلانک و مدل اتمی بور، چرایی وجود خطوط طیفی را توضیح دادند. این دستاوردها پایه اسپکتروفتومترهای امروزی هستند که در آزمایشگاه ها و صنایع سراسر جهان استفاده می شوند.

برای آشنایی با محصولات بلورآزما و دانلود کاتالوگ، به بخش محصولات مراجعه کنید.

منابع

• C. Palmer, Diffraction Grating Handbook, Newport Corporation

• Snell’s Law, Encyclopaedia Britannica

• M. M. Bursey, A Brief History of Spectroscopy, AccessScience, McGraw-Hill

• J. Tennyson, Astronomical Spectroscopy: An Introduction to the Atomic and Molecular Physics of Astronomical Spectra