Atomic Spectroscopy Explained in 9 Slides

Summary

هذا النص يناقش التكنولوجيا المستخدمة في استكشاف الكائنات الفضائية وكيفية استخدام الطيف الذري للكشف عن العناصر والتركيبات في الكون الخارجي. يدور النص حول كيفية تحليل الطيف الذري للكشف عن الهواء غير الطبيعي في الغلاف الجوي للكواكب البعيدة، مما يمكن أن يكون مؤشراً على وجود الحياة. يشرح النص أيضًا كيف يمكن استخدام الطيف الذري في العلوم الفيزيائية والكيمياء، بما في ذلك الساعات الذرية والتعريف بوحدات SI للمسافة والوقت.

Takeaways

• 👽当我们发现外星人时，可能会因为他们的气体排放而注意到他们。
• 🌌外星生命的首个迹象可能是遥远系外行星大气中不自然的气体组成。
• 🌍地球大气中的氧气之所以存在，是因为植物和微生物生命不断地补充它。
• 🔍通过原子光谱学，我们可以确定遥远行星大气中的气体成分及其比例。
• 🌠原子光谱有两种类型：吸收光谱和发射光谱，它们揭示了元素的特定模式。
• 🌈光是由原子中的电子吸收和发射的，电子只能存在于特定的能量状态中。
• 💡光子的能量完全基于其频率，这可以通过普朗克常数的公式 E=hf 来表示。
• 🔬原子光谱的应用包括天体物理学、化学实验室中的元素和化合物分析，以及激光和原子钟的精确控制。
• 🌐除了量子力学描述的光与物质的相互作用外，还有如瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射等现象。
• 🕰原子钟使用铯-133原子的特定超精细跃迁的光来定义时间单位，这也影响了距离单位和光速的定义。

Q & A

ما هي أول علامة على حياة خارج الأرض؟

أول علامة على حياة خارج الأرض ربما تكون تركيبات غير طبيعية من الغازات في الغلاف الجوي للكواكب البعيدة، مثل وجود الكثير من الأكسجين أو مزيج من ثاني أكسيد الكربون والميثان ولكن بقليل من أول أكسيد الكربون.

كيف يمكننا معرفة العناصر الموجودة في غلاف كوكب بعيد؟

يمكننا معرفة العناصر الموجودة في غلاف الكوكب بواسطة الطيف الذري، حيث يستخدم هذا الأسلوب لتحليل الطيف الذري الناتج عن العناصر المختلفة.

ما هو الطيف الذري؟

الطيف الذري هو تقنية تستخدم لتحديد العناصر الكيميائية في المادة عن طريق تحليل الطيف الناتج عن تفاعل الضوء مع الذرات.

كيف يساعد الطيف الذري في اكتشاف الكائنات الحية على الكواكب البعيدة؟

الطيف الذري يساعد في اكتشاف الكائنات الحية على الكواكب البعيدة من خلال الكشف عن تركيبات غازية غير متوقعة في غلاف الكوكب، والتي يمكن أن تكون مؤشرات على وجود حياة.

ما هو الفرق بين الطيف الجذبي والطيف الشعاعي؟

الطيف الجذبي يحدث عندما يمتص الغاز الضوء ويؤدي إلى ظهور خطوط داكنة في الطيف الظاهري للنجم. أما الطيف الشعاعي فيظهر الضوء الذي يعيد إشعاعه الغاز.

ما هو السبب في وجود خطوط محددة في الطيف الذري؟

توجد خطوط محددة في الطيف الذري لأن الإلكترونات في الذرات يمكن أن تتواجد فقط في مستويات طاقة معينة، وعندما يمتص الإلكترون الضوء الذي يحتوي على طاقة مطابقة لمسافة بين مستويات الطاقة، يمكنه الانتقال إلى مستوى طاقة أعلى.

ما هي العلاقة بين طاقة الفوتون وتردده؟

تعتمد طاقة الفوتون بشكل مباشر على تردده، كما يظهر من المعادلة E=hf، حيث 'h' هو ثابت بلانك.

كيف يمكن استخدام الطيف الذري في العلوم التطبيقية؟

يمكن استخدام الطيف الذري في العلوم التطبيقية لتحديد العناصر والمركبات الموجودة في العينة، وكذلك في استخدام التركيب الفائق لاستكشاف النواة النووية.

ما هي التطبيقات الأساسية لاستخدام الطيف الذري في علم الفلك؟

يستخدم الطيف الذري في علم الفلك لتحديد العناصر والخواص الكيميائية للكواكب والنجوم، كما يستخدم لقياس الخصائص مثل الحرارة والكثافة والسرعة النسبية.

ما هو الهيكل الدقيق والهيكل الفائق في الطيف الذري؟

الهيكل الدقيق والهيكل الفائق هما تجزئة في مستويات الطاقة تظهر عند تحليل الخطوط الطيفية بدقة عالية، بسبب التأثيرات النسبية ودوران الإلكترونات، والتفاعلات بين الإلكترونات والنواة.

Outlines

00:00

🌌 الكشف عن الكائنات الفضائية من خلال الغازات الغير طبيعية

من خلال البحث عن الكائنات الفضائية، يمكننا ربما اكتشافهم من خلال تركيب الغازات غير الطبيعية في جو الكوكب الخارجي. على سبيل المثال، الهواء على الأرض مليء بالأكسجين بسبب النباتات والكائنات الحية،但如果生命消失，氧气也会随之消失。如果我们观察到一个遥远的行星，其大气层中的气体比例无法仅用化学定律来解释，例如大量的氧气，或者二氧化碳和甲烷的混合但几乎没有一氧化碳，这将是生物标志，强烈表明那里至少存在微生物生命。要确认大型生物的存在，我们可能需要亲自访问。但我们如何知道遥远行星大气层中包含哪些化学物质呢？答案是原子光谱学。当一个行星从它的恒星前面经过时，恒星光的一部分会被大气层吸收，形成特定的模式，称为原子吸收光谱。每种元素都有一个特定的模式，就像条形码一样，因此通过对光的仔细分析，我们可以知道大气层中有哪些气体及其比例。我们已经使用这种技术来测量其他空间物体，如恒星和星云的温度、密度、电离和相对速度。这种技术非常酷，我们可以从光中获得如此多的信息，这是物理定律赋予我们的礼物，我们大部分关于宇宙的知识都来自于这种技术。

05:06

🔬 توضيح مفصل لموضوع الطيف الذري

هناك نوعان من الطيف الذري: الطيف ال后天性، حيث المصدر المضيء وراء الغاز، والغاز يمتص ويبعثر بعض الavelengths الضوء، ترك خطوط مظلمة في تيف النجم. والعكس هو الطيف ال后天ية، وهو نفس العملية ولكن من نظرة مختلفة. لاحظ أنه يworth الذكر أن الغاز الساخن بنفسه يصدر الضوء كطيف ال后天ية، هنا رسمت الكثافة للضوء على المحور الرأسي. والجسم الساخن الساخن يصدر تيف في جميع طولات الأضواء يسمى تيف الحرارة، وبالتالي لا يمكنك معرفة ما هو الشكل من خلاله، فقط كيف حار هو. والنجم يصدر مزيج من تيف الحرارة مع الطيف ال后天ية الموجودة فوقها، التي تأتي من الطبقات العلوية. لذا في الطيف ال后天ي، لماذا نحصل على هذه الخطوط المحددة جدا؟ للإجابة على ذلك، يجب أن نغوص عالم الميكانيكا الكمية. الضوء يتم امتصاصه و إmission من قبل الالكترونات في الذرات وهذه الالكترونات يمكن أن توجد فقط في بعض الحالات الحيوية، والتي، لو تم تصويرها لالهيدروجين، تبدو هكذا. السبب وراء هذه الحالات الحيوية المنتظمة هو أن الالكترونات في الميكانيكا الكمية توصف بواسطة موجة تسمى الموجة الوظيفة، وهذا الموجة يمكن أن تذبذب فقط ببعض الترددات في حدود الذر. تمامًا مثل ال两根琴弦 التي يمكن أن تذبذب فقط ببعض الترددات في حدود أن تكون مقصورة على ال两根琴. هذه الموجات هي الموجات الواقفة، وكل موجة طاقة أعلى تتضمن نصف طول موجة إضافي و تذبذب بتردد أعلى. لقد简化了我的drawings إلى الأبعاد الواحدة ولكن في الواقع هذه هي في الواقع الموجات ثلاثية الأبعاد لأن سحابة الالكترون هي ثلاثية الأبعاد. هناك عدد لا نهائي من مستويات الطاقة لأن يمكنك الاستمرار في إضافة نصف طول موجة إضافي إلى موجة الالكترون، ولكن الفرق في الطاقة بين هذه المستويات يصبح أصغر و أصغر لأن الفرق بين الموجات يصبح أصغر و أصغر. الفرق الأكبر في الطاقة هو بين الحاله الأساسية والحالة الexcited the first.

Keywords

💡الTRACE GASES

TRACE GASES هي غازات طبيعية أو غير طبيعية توجد في الهواء. في النص، يُستخدم المصطلح لوصف الإشارات العلمية التي قد تشير إلى وجود حياة خارج الأرض، مثل وجود كميات كبيرة من الأكسجين أو مزيج من ثاني وهيدروجين الكربون مع قلة ثاني وهيدروجين الكربون. يُستخدم هذا المصطلح في سياق البحث عن ال宜居星球 التي قد تحتوي على أشكال الحياة.

💡البيوإشارة

البيوإشارة هي مؤشرات تشير إلى وجود حياة. في النص، يُستخدم البيوإشارة للدلالة على وجود ما يعلى من الكائنات الحية الميكروية على الكواكب البعيدة، مثل التركيب غير الطبيعي للغازات في الغلاف الجوي للكوكب، مما يُعتبر مؤشراً قويا للحياة.

💡الطلاء الذري

الطلاء الذري هو تقنية تستخدم لتحديد العناصر والتركيبات في الأشياء. في النص، يُستخدم الطلاء الذري لتحليل الضوء الذي يمر بكوكب لمعرفة ما هي الغازات الموجودة في غلافه الجوي ونسبهم. يُستخدم هذا المصطلح كوسيلة لفهم التركيب الكيميائي للكون الخارجي للأرض.

💡الطيف الذري

الطيف الذري هو الشكل الذي يظهر عليه الخطوط الداكنة في الطيف الظاهري للضوء الذي يمتصه الغازات. في النص، يُستخدم الطيف الذري كطريقة لمعرفة العناصر والتركيبات في الأشياء، ويُستخدم كمثال في سياق التحليل للضوء الذي يمر بكوكب.

💡الميكانيكا الكمية

الميكانيكا الكمية هي فرع من الفيزياء يستخدم لشرح السلوك الذري للمواد. في النص، يُستخدم المصطلح لشرح سبب وجود الخطوط الداكنة في الطيف الذري، وكيف يمكن للإلكترونات الانتقال بين مستويات الطاقة المختلفة.

💡الفوتون

الفوتون هو جزء من الضوء يُعتبر جزءاً من ال Corpuscles of light. في النص، يُستخدم الفوتون لشرح كيفية انتقال الطاقة من الضوء إلى الذرات، مما يسبب الإلكترونات في الذرات للانتقال بين مستويات الطاقة المختلفة.

💡الخطوط الداكنة

الخطوط الداكنة هي الخطوط الظاهرة في الطيف الظاهري التي تظهر بسبب الإلكترونات المدارة بين مستويات الطاقة المختلفة. في النص، يُستخدم المصطلح كوسيلة لشرح كيف يمكن للطلاء الذري أن يكشف عن العناصر والتركيبات في الأشياء.

💡الهيكل الدقيق

الهيكل الدقيق هو التفاصيل الدقيقة في الطيف الذري التي يمكن رؤيتها عند تحليل الخطوط الداكنة بدقة عالية. في النص، يُستخدم المصطلح لشرح كيف يمكن للتأثيرات النسبية والدوران الإلكتروني الداخلي أن تغير الخطوط الداكنة بشكل طفيف.

💡التشتت

التشتت هي عملية انتشار الضوء من خلال المادة. في النص، يُستخدم التشتت لشرح كيف يمكن للضوء أن يتفاعل مع المادة بطرق أخرى غير التفاعل الذري، مثل التشتت الرايلي، الذي يفسر لون السماء الزرقاء.

💡الساعات الذرية

الساعات الذرية هي آلات تعتمد على الtransitions الذرية لتحديد الوقت بدقة. في النص، يُستخدم الساعات الذرية كمثال على كيف يمكن استخدام الtransitions الذرية في تقنيات مفيدة.

Highlights

The first signature of extraterrestrial life might be unnatural compositions of gases in the atmosphere of a distant exoplanet.

Earth's atmosphere is full of oxygen due to the replenishment by plant and microbial life.

A distant planet with an inexplicable gas composition could indicate the presence of life.

Atomic spectroscopy is used to determine the chemical composition of a distant planet's atmosphere.

Each element has a unique atomic absorption spectrum, like a barcode, which can be analyzed to identify gases and their proportions.

Atomic spectra are used to measure properties of space objects like stars and nebulae.

There are two kinds of atomic spectra: absorption and emission, each revealing different information about the observed object.

Electrons in atoms can only exist in certain energy states, which are responsible for the discrete lines in atomic spectra.

The energy of a photon is directly related to its frequency, as described by the equation E=hf.

The emission spectrum of hydrogen shows groups of spectral lines corresponding to different energy decays.

Other elements have more complex spectra due to additional protons and electrons.

Fine structure and hyperfine structure in atomic spectra are caused by electron spin and interactions between electrons and the nucleus.

Rayleigh scattering explains phenomena like the blue color of the sky and the red color of sunsets.

Atomic spectra have practical applications in astrophysics, chemistry labs, and the development of atomic clocks.

The cesium-133 atom's hyperfine transition is used in atomic clocks and defines the SI units of meter and second.

Transcripts

If we discover aliens, we’ll probably  see them because of their farts.  

The first signature of extraterrestrial life is  likely to be unnatural compositions of gasses  

in the atmosphere of a distant exoplanet. Think  of the Earth, the atmosphere is full of oxygen,  

and this is only true because it keeps on  being replenished by plant and microbial life.  

If life disappeared so would the oxygen. So if we  see a distant planet with an atmosphere where the  

proportions of gasses are inexplicable by the laws  of chemistry alone, like lots of oxygen, or a mix  

of carbon dioxide and methane but with little  carbon monoxide, this would be a biosignature,  

a strong indicator that at least microbial life  exists there. To confirm any large creatures,  

we’ll just have to visit. But how do we know what  chemicals the atmosphere of a distant planet  

contains? The answer is atomic spectroscopy. If  we see a planet passing in front of it’s star,  

some of that starlight is absorbed in a very  specific pattern called an atomic absorption  

spectrum. Each element has a specific pattern  like a barcode, so through careful analysis of  

the light it can tell us which gasses are  in the atmosphere and their proportions.  

We already use this technique for other  space objects like stars and nebulae,  

measuring properties like temperature, density,  ionization and relative velocity. Think about how  

cool this is! We can look into deep space and  get so much information, just from the light.  

It is like a gift that the laws of physics have  given us and we’ve used it, most of our knowledge  

of the universe comes from this technique. I’ve previously mentioned atomic spectra in my map  

of quantum physics video and because this subject  is so cool I made this video to dig deeper.  

There are two kinds of atomic spectra: absorption  spectra which is where the light source is behind  

a gas, and the gas absorbs and scatters certain  wavelengths of light leaving dark lines in the  

spectrum of the star. The opposite is emission  spectra, which is the same process but seen from  

a different angle. Now you are only looking  at the re-radiated light of this nebula.  

Here it is worth noting a few things. A hot gas  on its own emits light as an emission spectrum,  

here I’m drawing the intensity of the light on  the vertical axis. A hot solid emits a spectrum  

at all wavelengths called a thermal spectrum, and  so you can’t tell what the object is made of from  

only how hot it is. And a star emits a combination  of a thermal spectrum with an absorption spectrum  

superimposed on top which comes from their upper  layers. So in atomic spectra, why do we get these  

very specific lines? To answer that we need  to delve into the world of quantum mechanics.  

Light is absorbed and emitted by the electrons  in atoms and these electrons can only exist in  

certain energy states which, plotted for  hydrogen, look like this. The reason for  

these discrete energy states is that in quantum  mechanics electrons are described by a wave called  

a wavefunction, and this wave can only vibrate at  certain frequencies in the constraint of the atom.  

Just like a guitar string only vibrates  at certain frequencies in the constraint  

of being tied to the guitar. These waves are  standing waves, and each higher energy wave  

includes an extra half-wavelength and oscillates  at a higher frequency. I’ve simplified the drawings  

to one dimension but in reality these are actually  three dimensional waves because the electron cloud  

is three dimensional. There are an infinite number  of energy levels because you can keep on adding  

one more half-wavelength to the electron wave, but  the difference in energies between these levels  

gets smaller and smaller because the difference  between the waves gets smaller and smaller.  

The biggest difference in energy is between  the ground state and the first excited state.  

When light shines on atoms, if it contains light  with the same energy as one of the distances  

between energy levels of the electron it can  absorb that light and the electron jumps to  

a higher energy. Then later it will jump back  down to the lowest energy, emitting the light  

in a random direction. This is why we see the  dark bands in the absorption spectrum, because  

the electrons are absorbing the light then  scattering it mostly in a different direction  

to the original light. So it is taking  out those frequencies of the light. And an  

emission spectrum is just made of that scattered  light. Light is made of particles called photons,  

and the energy of a photon is based solely on its  frequency which you can see from this equation  

E=hf where h is a constant called Planck’s  constant. Also the frequency and wavelength are  

related to each other inversely by this equation,  where c is the speed of light in a vacuum.  

Here we have part of the emission spectrum for  hydrogen. You’ll notice that there are three groups  

of spectral lines. There is a good reason for  this. The first group, called the Lymann group,  

is made from all the decays from high energy  states down to the ground state. The other  

groups come from energy decays from above  down to higher energy levels in a similar way.  

That’s why the lines are grouped like this. Note  that this is not to scale, in reality these lines  

are far more spread out in the wavelength scale,  and there are more series at longer wavelengths.  

You should also note that I’ve been using  hydrogen as examples because it has only  

got one proton and one electron, so it  has got a relatively simple spectrum.  

But the spectra of other elements are more complex  and a real observation of many many different  

gasses overlapping is incredibly complex. Now you know all the basics of atomic spectra,  

but it is also worth knowing about fine structure  and hyperfine structure. These are where,  

if you look at a spectral line really closely  you’ll see that they are often made of two or more  

spectral lines that are incredibly close together.  The atomic spectra we’ve talked about so far are an  

idealised model, but when you add in the spin of  the electron and also relativistic effects you get  

the fine structure splitting of energy levels.  And beyond that the hyperfine structure is seen  

as small shifts and splittings of these energy  levels caused by interaction between the electrons  

and the nucleus through their mutual magnetic  or electric fields as well as other effects.  

Now it is important to note that what I’ve  described so far isn’t the only way that light  

interacts with matter. There are a few other ways  that you should know about. The most common is  

scattering which happens when electrons are  free to wiggle about when light shines on  

them called Rayleigh scattering. You don’t need  the rules of quantum physics to describe this,  

it is a classical effect of light being a  vibrating electromagnetic wave which interacts  

with the electric charge of the electrons  causing them to wobble and then become  

an oscillating source of more electromagnetic  waves which radiate out in all directions.  

This scattering called Rayleigh scattering is  what causes the blue colour of the sky and the  

red colour of sunsets. It is also why metals  are very reflective, because they have loads  

of free electrons that move around very easily.  We’ve also got Raman scattering when light shines  

on molecules, and can vibrate the molecules in  different modes and has its own spectroscopy  

called Raman spectroscopy. And there’s also  Brillouin scattering where light can lose or  

gain energy when interacting with vibrational  waves in the atomic lattices of solids.  

Finally let’s look at the applications of atomic  spectra. I’ve already mentioned the array of uses  

in astrophysics. The other main use is to see  what elements and compounds something is made of.  

This is used in chemistry labs to see what  a sample is made of. Or even using the  

hyperfine structure to delve into the nucleus with  nuclear magnetic resonance and other techniques.  

Lasers come from controlling the  emissions from specific energy levels.  

We can also harness the accuracy and repeatability  of the energy levels. For example atomic clocks  

all need a standard oscillator to keep the same  time, so use the light from a specific hyperfine  

transition of the cesium-133 atom which is  also how the SI units of distance the metre  

and time the second are defined, and so this  also sets the definition of the speed of light.  

So that’s my introduction to  atomic spectra, very cool stuff.  

I’ll be looking at other topics from the  map of quantum physics in the future, so  

consider subscribing if you want to catch those,  this poster is still available on DFTBA as well.  

And if you value my videos and would like to help  support me make them I have a patreon page where  

you can donate anything from a dollar per video  and get access to some behind the scenes material,  

lately I’ve been posting work in progress scripts,  and images and video previews before they go live  

on youtube. But no obligation, I appreciate  you watching and I’ll see you on the next video.