نطاق الامتصاص

في علم الأطياف ، نطاق الامتصاص هو مجموعة من الأطوال الموجية أو الترددات أو الطاقات في الطيف الكهرومغناطيسي التي تميز انتقالًا معينًا من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية في مادة ما.

وفقًا لميكانيكا الكم ، لا يمكن للذرات والجزيئات أن تحمل إلا كميات محددة من الطاقة ، أو أن توجد في حالات معينة . ^{[ 1 ]} عندما تُصدر أو تُمتص هذه الكميات من الإشعاع الكهرومغناطيسي بواسطة ذرة أو جزيء، فإن طاقة الإشعاع تُغير حالة الذرة أو الجزيء من حالة ابتدائية إلى حالة نهائية .

عندما يمتصّ ذرة أو جزيء إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ، تُغيّر طاقة الإشعاع حالة الذرة أو الجزيء من حالة ابتدائية إلى حالة نهائية . يكون عدد الحالات في نطاق طاقة مُحدد مُنفصلًا في الأنظمة الغازية أو المُخففة، حيث تكون مستويات الطاقة مُنفصلة . أما الأنظمة المُكثفة ، كالسوائل والمواد الصلبة، فلها توزيع مُستمر لكثافة الحالات ، وغالبًا ما تمتلك نطاقات طاقة مُتصلة . ولكي تُغيّر المادة طاقتها، يجب أن تفعل ذلك عبر سلسلة من "الخطوات" عن طريق امتصاص فوتون . يُمكن لعملية الامتصاص هذه أن تُنقل جسيمًا، كالإلكترون، من حالة مشغولة إلى حالة فارغة أو غير مشغولة. كما يُمكنها أيضًا أن تُنقل نظامًا مُهتزًا أو دوارًا بأكمله، كالجزيء، من حالة اهتزازية أو دورانية إلى أخرى، أو أن تُنشئ شبه جسيم كالفونون أو البلازمون في مادة صلبة.

عند امتصاص فوتون، يختفي مجاله الكهرومغناطيسي، مما يُحدث تغييرًا في حالة النظام الممتص. تنتقل الطاقة والزخم والزخم الزاوي وعزم ثنائي القطب المغناطيسي وعزم ثنائي القطب الكهربائي من الفوتون إلى النظام. ونظرًا لوجود قوانين حفظ يجب استيفاؤها، فإن الانتقال يخضع لسلسلة من القيود، مما ينتج عنه سلسلة من قواعد الانتقاء . لا يمكن حدوث أي انتقال يقع ضمن نطاق الطاقة أو التردد المرصود. ^{[ 2 ]}

تتحدد قوة عملية الامتصاص الكهرومغناطيسي بشكل أساسي بعاملين. أولاً، تكون الانتقالات التي تُغير فقط عزم ثنائي القطب المغناطيسي للنظام أضعف بكثير من الانتقالات التي تُغير عزم ثنائي القطب الكهربائي ، كما أن الانتقالات إلى عزوم ذات رتبة أعلى، مثل انتقالات رباعي الأقطاب ، تكون أضعف من انتقالات ثنائي القطب. ثانياً، لا تمتلك جميع الانتقالات نفس عنصر مصفوفة الانتقال، أو معامل الامتصاص ، أو قوة المذبذب .

في بعض أنواع النطاقات أو التخصصات الطيفية، تلعب درجة الحرارة والميكانيكا الإحصائية دورًا هامًا. ففي نطاقات الأشعة تحت الحمراء (البعيدة) ، والموجات الميكروية ، وترددات الراديو ، تحدد أعداد شغل الحالات المعتمدة على درجة الحرارة ، والفرق بين إحصاءات بوز-أينشتاين وإحصاءات فيرمي-ديراك، شدة الامتصاصات المرصودة. أما في نطاقات الطاقة الأخرى، فقد تحدد تأثيرات الحركة الحرارية ، مثل اتساع دوبلر، عرض الخط الطيفي .

توجد مجموعة واسعة من أشكال نطاقات وخطوط الامتصاص، ويمكن استخدام تحليل شكل النطاق أو الخط لتحديد معلومات حول النظام الذي يُسببه. في كثير من الحالات، من الملائم افتراض أن الخط الطيفي الضيق يتبع توزيع لورنتز أو غاوسي ، وذلك اعتمادًا على آلية الاضمحلال أو تأثيرات درجة الحرارة مثل اتساع دوبلر . ^{[ 3 ]} قد يُسفر تحليل الكثافة الطيفية وشدة وعرض وشكل الخطوط الطيفية أحيانًا عن معلومات قيّمة حول النظام المرصود، كما هو الحال مع أطياف موسباور .

في الأنظمة ذات العدد الكبير من الحالات، كالجزيئات الضخمة والأنظمة المترافقة الكبيرة، لا يمكن دائمًا تمييز مستويات الطاقة المنفصلة في طيف الامتصاص. إذا كانت آلية اتساع الخط معروفة، وكان شكل الكثافة الطيفية واضحًا في الطيف، فمن الممكن الحصول على البيانات المطلوبة. أحيانًا يكفي معرفة الحد الأدنى أو الأعلى للحزمة أو موضعها لإجراء التحليل.

بالنسبة للمواد المكثفة والمواد الصلبة، غالبًا ما يتحدد شكل نطاقات الامتصاص بالانتقالات بين الحالات في توزيعات كثافة الحالات المستمرة . أما بالنسبة للبلورات ، فإن بنية النطاق الإلكتروني هي التي تحدد كثافة الحالات. في السوائل والزجاج والمواد الصلبة غير المتبلورة ، لا يوجد ترابط بعيد المدى ، وتكون علاقات التشتت متناحية. بالنسبة لمعقدات نقل الشحنة والأنظمة المترافقة ، يكون عرض النطاق معقدًا بسبب مجموعة متنوعة من العوامل، مقارنةً بالمواد المكثفة. ^{[ 4 ]}

تُستخدم المواد ذات نطاقات الامتصاص الواسعة في الأصباغ والملونات والمرشحات البصرية . ويُستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم وأكسيد الزنك والكروموفورات كمواد ماصة وعاكسة للأشعة فوق البنفسجية في واقيات الشمس .

في الأكسجين :

• نطاقات هوبفيلد ، قوية جداً، بين حوالي 67 و 100 نانومتر في الأشعة فوق البنفسجية (سميت على اسم جون ج. هوبفيلد )؛
• نظام منتشر بين 101.9 و 130 نانومتر؛
• سلسلة شومان-رونج المتصلة، قوية جداً، بين 135 و 176 نانومتر؛
• نطاقات شومان-رونج بين 176 و 192.6 نانومتر (سميت نسبة إلى فيكتور شومان وكارل رونج )؛
• نطاقات هيرزبرغ بين 240 و 260 نانومتر (سميت على اسم غيرهارد هيرزبرغ )؛
• النطاقات الجوية بين 538 و 771 نانومتر في الطيف المرئي؛ بما في ذلك الأكسجين δ (~580  نانومتر)، γ (~629  نانومتر)، B (~688  نانومتر)، و A-band (~759-771  نانومتر) ^{[ 7 ].}
• نظام في نطاق الأشعة تحت الحمراء عند حوالي 1000 نانومتر، ^{[ 8 ]}

في الأوزون :

• نطاقات هارتلي بين 200 و 300 نانومتر في الأشعة فوق البنفسجية، مع امتصاص أقصى شديد عند 255 نانومتر (سميت على اسم والتر نويل هارتلي )؛
• نطاقات هوغينز ، امتصاص ضعيف بين 320 و 360 نانومتر (سميت على اسم السير ويليام هوغينز )؛
• نطاقات شابوي (التي تُكتب أحيانًا بشكل خاطئ "Chappius")، وهي نظام منتشر ضعيف يقع بين 375 و650 نانومتر في الطيف المرئي (سميت نسبةً إلى ج. شابوي )؛ و
• نطاقات وولف في الأشعة تحت الحمراء التي تتجاوز 700  نانومتر، وتتمركز عند 4700 و9600 و14100 نانومتر، والأخير هو الأكثر كثافة (سمي على اسم أوليفر ر. وولف ).

في النيتروجين :

• نطاقات ليمان -بيرج-هوبفيلد ، والمعروفة أحيانًا باسم نطاقات بيرج-هوبفيلد ، في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة: 140 - 170  نانومتر (سميت على اسم ثيودور ليمان ، وريموند تي. بيرج ، وجون جيه. هوبفيلد )

تتأثر الموجات الراديوية التي تنتقل عبر الغلاف الجوي بنطاقات الامتصاص. لدى الاتحاد الدولي للاتصالات وثائق مفصلة للغاية حول سلوك الامتصاص الذي يُصادف في نطاقات الراديو، بالإضافة إلى بيانات طيفية للأكسجين وبخار الماء. ^{[ 9 ]}

في بخار الماء :

• ذروة الرنين عند 22.24 جيجاهرتز، 1.35 سم، والتي يوجد لها نطاق K (IEEE) في الراديو
• 183 جيجاهرتز

في الأكسجين :

• ذروة عند حوالي 5 مليمترات (60 جيجاهرتز)، مما يؤثر على الاتصالات اللاسلكية في النطاق V
• ذروة 118 جيجاهرتز

• مبدأ فرانك-كوندون
• التحليل الطيفي
• خط طيفي