تعريف طيف الامتصاص

يشير طيف الامتصاص إلى التقنيات المستخدمة لقياس امتصاص الإشعاع، وهي وظيفة تعتمد على تردد أو طول الموجة، حيث تمتص العينة الطاقة (الفوتونات) من المجال المشع بناء على تفاعلها معها، وتختلف شدة الامتصاص حسب التردد، وهذا الاختلاف هو طيف الامتصاص، ويتم تحليل الامتصاص طيفيا باستخدام الطيف الكهرومغناطيسي

يتم استخدام التحليل الطيفي للامتصاص كأداة كيميائية تحليلية لتحديد وجود مادة معينة في العينة ، وفي كثير من الحالات ، لتحديد كمية المادة الموجودة ، الأشعة تحت الحمراء و مطيافية الأشعة فوق البنفسجية مرئية شائعة خاصة في التطبيقات التحليلية ، يستخدم التحليل الطيفي للامتصاص أيضًا في دراسات الفيزياء الجزيئية والذرية ، التحليل الطيفي الفلكي والاستشعار عن بُعد.

ما هو طيف الامتصاص

طيف امتصاص المادة يعني أن المادة تمتص جزءا من الإشعاع الساقط عليها عبر مجموعة من الترددات. يتم تحديد طيف الامتصاص بشكل أساسي بواسطة تركيب الذرات والجزيئات في المادة. من المحتمل أن يتم امتصاص الإشعاع بترددات تتوافق مع فروق الطاقة بين حالتين ميكانيكيتين كميتين للجزيئات. يشار إلى الامتصاص الذي يحدث بسبب الانتقال بين حالتين باسم خط الامتصاص، ويتكون الطيف عادة من العديد من الخطوط.

تعتمد الترددات التي يحدث فيها خطوط الامتصاص، بالإضافة إلى الكثافة النسبية، على الإلكترونية والتركيب الجزيئي للعينة، وتتأثر أيضا بالتفاعلات بين الجزيئات في العينة، وبالتركيب البلوري في المواد الصلبة، وبعوامل بيئية مثل درجة الحرارة والضغط والمجال الكهرومغناطيسي، ويتم تحديد شكل وعرض خطوط الامتصاص بشكل رئيسي بواسطة الكثافة الطيفية أو كثافة الحالات في النظام

تطبيقات على طيف الامتصاص

الاستشعار عن بعد 

 واحدة من المزايا الفريدة للطيف الطيفي كأسلوب تحليلي هي أنه يمكن إجراء القياسات دون ملامسة الجهاز والعينة ، سيحتوي الإشعاع الذي ينتقل بين عينة وأداة على معلومات طيفية ، بحيث يمكن إجراء القياس عن بُعد ، يعتبر الاستشعار الطيفي عن بعد ذا قيمة في العديد من المواقف  على سبيل المثال ، يمكن إجراء القياسات في بيئات سامة أو خطرة دون تعريض مشغل أو أداة للخطر ، أيضًا لا يجب أن يتم تلامس مادة العينة مع الجهاز مما يمنع التلوث المتبادل المحتمل.

تمثل القياسات الطيفية البعيدة عدة تحديات مقارنة بالقياسات المخبرية ، قد يكون للمسافة بين عينة الفائدة والأداة امتصاص طيفية أيضًا ، يمكن لهذه الامتصاصات إخفاء أو إرباك طيف الامتصاص للعينة ، قد تختلف تداخلات الخلفية هذه أيضًا بمرور الوقت ، غالبًا ما يكون مصدر الإشعاع في القياسات البعيدة مصدرًا بيئيًا ، مثل ضوء الشمس أو الإشعاع الحراري من جسم دافئ ، وهذا يجعل من الضروري التمييز بين الامتصاص الطيفي والتغيرات في طيف المصدر.

لتبسيط هذه التحديات اكتسب مطياف الامتصاص البصري التفاضلي بعض الشعبية حيث يركز على ميزات الامتصاص التفاضلي ويغفل الامتصاص واسع النطاق مثل انقراض الهباء الجوي والانقراض بسبب تشتت رايلي ، تُطبق هذه الطريقة على القياسات الأرضية والجوية ، وتوفر بعض الطرق الأرضية إمكانية استرداد ملفات تعريف الغازات التروبوسفيرية والستراتوسفيرية.

التحليل الطيفي الفلكي

التحليل الطيفي الفلكي هو نوع مهم بشكل خاص من الاستشعار الطيفي عن بعد ، في هذه الحالة تكون الأشياء والعينات ذات الأهمية بعيدة جدًا عن الأرض لدرجة أن الإشعاع الكهرومغناطيسي هو الوسيلة الوحيدة المتاحة لقياسها ، تحتوي الأطياف الفلكية على معلومات طيفية للامتصاص والانبعاث ، كان التحليل الطيفي للامتصاص مهمًا بشكل خاص لفهم السحب بين النجوم وتحديد أن بعضها يحتوي على جزيئات ، يستخدم التحليل الطيفي للامتصاص أيضًا في دراسة الكواكب خارج المجموعة الشمسية  كما أن اكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية بطريقة العبور يقيس أيضًا طيف الامتصاص ويسمح بتحديد تكوين الغلاف الجوي للكوكب درجة الحرارة والضغط والارتفاع ، وبالتالي يسمح أيضًا بتحديد كتلة الكوكب.

الفيزياء الذرية والجزيئية   

يتم استخدام قياسات طيف الامتصاص لتحديد بعض خصائص الذرة، حيث يسمح التحليل الطيفي، على سبيل المثال، بتحديد أطوال الرابطة والزوايا بدقة عالية.

بالإضافة إلى ذلك يمكن استخدام القياسات الطيفية لتحديد دقة التنبؤات النظرية مثال لم يكن من المتوقع أن يكون تحول لامب المقاس في طيف الامتصاص الذري للهيدروجين موجودًا في الوقت الذي تم قياسه ، حفز اكتشافه وتوجيه تطوير الديناميكا الكهربائية الكمومية ، وتستخدم الآن قياسات التحول لتحديد ثابت.

الطرق التجريبية على طيف الامتصاص 

واحدة من أكثر الطرق وضوحا في التحليل الطيفي للامتصاص هي توليد إشعاع بمصدر وقياس طيف مرجعي لذلك الإشعاع باستخدام كاشف، ثم إعادة قياس طيف العينة بعد وضع المادة المهمة بين المصدر والكاشف. يمكن بعد ذلك دمج الطيفين المقياسين لتحديد طيف امتصاص المادة، لأن الطيف العينة وحده لا يكفي لتحديد طيف الامتصاص، حيث يتأثر بالظروف التجريبية، مثل طيف المصدر وطيف الامتصاص للمواد الأخرى التي تقع بين المصدر والكاشف والخصائص المعتمدة على الطول الموجي للكاشف. 

سوف يتأثر الطيف المرجعي بنفس الطريقة، على الرغم من هذه الظروف التجريبية، وبالتالي يتم إنتاج طيف الامتصاص للمادة بشكل منفرد.

تستخدم مصادر الإشعاع المختلفة لتغطية الطيف الكهرومغناطيسي، ومن المفضل في التحليل الطيفي أن تغطي المصدر مجموعة واسعة من الأطوال الموجية لقياس منطقة واسعة من الامتصاص الطيفي، حيث تطلق بعض المصادر أطيافاً واسعة بشكل طبيعي.

تشمل الأمثلة على هذه الكرات أو مصادر الجسم السوداء الأخرى في الأشعة تحت الحمراء ومصابيح الزئبق في الأنابيب المرئية والأشعة فوق البنفسجية وأنابيب الأشعة السينية، واحدة من المصادر الجديدة التي تم تطويرها مؤخرا للإشعاع واسع النطاق هي الإشعاع السنكروتروني الذي يغطي كل هذه المناطق الطيفية، وتولد مصادر الإشعاع الأخرى طيفا ضيقا، ولكن يمكن ضبط الطول الموجي للانبعاثات لتغطية مدى طيفي، وتشمل الأمثلة على هذه الكليسترون في منطقة الميكروويف والليزر عبر الأشعة تحت الحمراء والمنطقة المرئية والأشعة فوق البنفسجية (على الرغم من أنه ليس لجميع أشعة الليزر أطوال موجية قابلة للضبط)

تعتمد الكاشفات المستخدمة لقياس الإشعاع على المدى الطيفي المطلوب، وتكون معظم أجهزة الكشف حساسة لنطاق طيف واسع إلى حد ما. يعتمد المستشعر المختار بشكل أساسي على متطلبات الحساسية والضوضاء المرتبطة بالقياس المحدد. وتشمل الأمثلة الكشف الشائع في التحليل الطيفي مثل استقبال الميكروويف، والبولومتر في موجات الملليمتر والأشعة تحت الحمراء، وتيلوريد الكادميوم الزئبق وتبريد أشباه الموصلات، وتشمل الكشف بالفوتوديود والأنابيب المضخمة في الظاهر والأشعة فوق البنفسجية

عندما يغطي المصدر والكاشف نطاقا واسعا من الترددات، يصبح من الضروري أيضا تحديد طول الموجة لتحديد الطيف. غالبا ما يتم استخدام ترتيب طيفي لفصل أطوال الموجات الكهرومغناطيسية بحيث يمكن قياس القدرة عند كل طول موجي بشكل منفصل. يستخدم أيضا قياس التداخل بشكل شائع لتحديد الطيف، ويعد التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء تطبيقا شائعا واسع النطاق لهذه التقنية.