إن التخلص من إثارة البلازما (الغاز المشحون) ليس مصدر الضوء المنبعث من لهب نار المخيم.
إن توهج جزيئات السخام الصلبة التي تتصاعد على تيار الهواء الساخن هو ما يخلق الضوء الذي يُنظر إليه على أنه لهب.
دعونا نلقي نظرة على الطرق النموذجية التي تصدر بها المواد الضوء ثم نطبقها على نار المخيم.
يمكن أن توجد الإلكترونات في الجزيئات في حالات مدارية مختلفة.
عندما تمتص الإلكترونات الطاقة، يتم رفعها إلى حالة طاقة أعلى في الجزيء.
يشبه هذا تقريبًا رفع الكرة على رف مرتفع حيث يمكن أن تسقط منه.
يتم تخزين الطاقة الممتصة للإلكترون كطاقة كامنة لأنها تستقر في حالة طاقة أعلى.
يمكن أن تثير أشياء كثيرة إلكترونًا في جزيء ما إلى حالة طاقة أعلى، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية، والتصادم مع الجسيمات الأخرى، وامتصاص الضوء.
في النهاية، تعود الإلكترونات المثارة إلى حالتها السفلية، مثل كرة على رف تتدحرج وتهبط إلى الأرض.
عندما تسقط الإلكترونات، تفقد طاقتها الكامنة وتنطلق.
هناك العديد من الطرق التي يمكن بها للإلكترون الساقط (غير المثير) أن يعطي طاقته، ولكن الطريقة الأكثر شيوعًا هي أن يبعث القليل من الضوء يسمى الفوتون.
ونتيجة لذلك، فإن أي عملية تثير الإلكترونات تؤدي إلى خلق الضوء عندما تنفصل الإثارة.
غالبًا ما يكون لهذا الضوء لون غير مرئي أو يكون خافتًا جدًا بحيث لا يمكن رؤيته بالعين البشرية، ولكن لا يزال يتم إنشاء الضوء.
بسبب قانون حفظ الطاقة (الذي ينص على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة)، يجب إعطاء كل الطاقة التي يفقدها الإلكترون في الانتقال من حالة أعلى إلى حالة أقل للفوتون الذي يخلقه.
توجد حالات الإلكترون فقط عند مستويات ثابتة وثابتة لجزيء معين، لذلك يمكن لجزيء منعزل معين أن يصدر فوتونات ذات طاقات معينة فقط.
نظرًا لأن تردد الفوتون (لون الضوء) يتناسب طرديًا مع طاقته، فإن بعض الجزيئات المعزولة يمكنها فقط إصدار ألوان معينة من الضوء.
مجموعة الألوان المحددة التي يصدرها الجزيء (طيفه) فريدة للجزيء وتعمل كبصمة الإصبع.
يمكن لعلماء الفلك معرفة المواد الكيميائية التي يتكون منها النجم بمجرد النظر إلى الألوان الموجودة في ضوء النجوم.
من خلال رسم القليل من الألوان المميزة الموجودة في الضوء المنبعث من جزيء واحد، يتم تكوين "طيف خطي"، يشبه مجموعة من الخطوط الرفيعة.
بالإضافة إلى إثارة الإلكترونات، يمكن أن يتحمس الجزيء بأكمله عن طريق الدوران أكثر أو الاهتزاز أكثر.
هناك ثلاث طرق يمكن للجزيء أن ينبعث منها الضوء: يسقط الإلكترون إلى حالة أقل (انتقال الإلكترون)، والجزيء يدور أقل (انتقال دوراني)، ويهتز الجزيء أقل (انتقال اهتزازي).
الآن يحدث شيء مثير للاهتمام إذا كان لديك أكثر من جزيء مشترك.
إذا كان لديك مجموعة من الجزيئات، فإنها تميل إلى الاصطدام ببعضها البعض.
عندما تتصادم، يتم تحويل بعض الطاقة في الإلكترونات المُثارة، وحالات الدوران المُثارة، وحالات الاهتزاز المُثارة ببساطة إلى حركة (طاقة حركية).
نتيجة لذلك، توجد طاقة أقل للفوتون تنبعث عندما ينتقل الجزيء، مما يؤدي إلى فوتون بلون مختلف عما إذا لم يكن هناك اصطدام.
نظرًا لأن التصادمات عشوائية، فإن تغيرات لون الضوء المنبعث تكون عشوائية.
حيث يوجد لون واحد فقط (خط) في جزء معين من طيف الضوء المنبعث، يوجد الآن العديد من الألوان.
وبالتالي، فإن الاصطدامات بين الجزيئات تميل إلى تشويه الخطوط الواضحة من الطيف اللوني للضوء في حزم بألوان عديدة.
كلما زاد عدد الاصطدامات وأصعبت، زادت الألوان الموجودة في الضوء المنبعث.
إذا كان هناك قدر كبير جدًا من الاصطدامات القوية بين الجزيئات، فإن كل الضوء المنبعث من التحولات الجزيئية يتم تلطيخه في نطاق واحد مستمر من الألوان.
في مثل هذه الحالة، تكون جميع ألوان قوس قزح موجودة في الضوء وبالتالي يكون الضوء أبيض.
الضوء عادة ليس أبيض نقي، ولكنه أحمر مائل للصفرة، برتقالي مائل للبياض، إلخ. حسب طبيعة الاصطدامات.
الضوء مع هذا الترتيب الواسع للألوان يسمى "الإشعاع الحراري" أو "إشعاع الجسم الأسود" والعملية التي تولد هذا الضوء تسمى "الإنارة".
في الحياة اليومية، نشير إلى الإنارة على أنها "متوهجة ساخنة".
وبالتالي، فإن المادة التي لا تصادماتها تنبعث منها طيفًا خطيًا، وهو عبارة عن مجموعة من عدد قليل من الألوان المحددة تمامًا وغير المصممة.
من ناحية أخرى، تصدر مادة ذات عدد لا نهائي من الاصطدامات طيف الجسم الأسود، وهو عبارة عن مجموعة سلسة تمامًا من جميع الألوان في شكل توزيع مميز للغاية يسمى "منحنى الجسم الأسود".
الطرفان المتعاكسان؛ الطيف الخطي وطيف الجسم الأسود. هي المثالية.
في العالم الحقيقي، يقع كل طيف في مكان ما بين الطرفين.
عندما نقول أن توزيع لون الضوء هو طيف خطي، فإننا نعني أنه قريب من طيف خطي، وليس أنه طيف خطي بالضبط.
هناك شيئان يحددان مدى سرعة تصادم الجزيئات مع بعضها البعض.
الأول هو كثافة الجزيئات.
كلما اقتربت الجزيئات من بعضها، زادت فرصة اصطدامها.
المواد الصلبة لها جزيئاتها قريبة جدًا من بعضها، وبالتالي تتصادم بدرجة كافية لإصدار كل ألوان الضوء.
تنبعث المواد الصلبة عادةً من طيف قريب من طيف الجسم الأسود.
من ناحية أخرى، فإن جزيئات الغاز المخفف متباعدة كثيرًا، لذا فإن توزيع ألوان الضوء المنبعث يبدو أشبه بطيف خطي.
الشيء الآخر الذي يؤثر على معدل الاصطدام هو درجة حرارة الجسم.
عندما يصبح الجسم أكثر سخونة، تهتز جزيئاته أكثر وتتحرك بشكل أسرع، مما يؤدي إلى المزيد من الاصطدامات.
المزيد من الاصطدامات تعني انتشار المزيد من الخطوط الطيفية، وهذا يعني أيضًا أنه يتم تبادل المزيد من الطاقة في كل تصادم.
يتحول المنحنى الطيفي الحراري إلى طاقات أعلى لدرجات حرارة أعلى، وهو نفس الترددات الأعلى.
تنبعث أجسام درجة حرارة الغرفة باستمرار من الضوء بلون لا يمكننا رؤيته (الأشعة تحت الحمراء).
عندما نقوم بتسخين جسم ما مثل عنصر الموقد الكهربائي، تصبح التصادمات بين الجزيئات أكثر حدة وتكرارًا.
وبالتالي فإن الضوء المنبعث له توزيع حراري طيفي ينتقل إلى ترددات أعلى.
تتحول ذروة الضوء المنبعث من جسم ساخن من الأشعة تحت الحمراء إلى الأحمر إلى البرتقالي وهكذا كلما ازدادت سخونة.
لكن تذكر أن الإشعاع الحراري يحتوي على جميع الألوان، بحيث لا يتوهج المعدن الساخن باللون الأحمر، بل يتوهج باللون الأحمر المائل إلى البياض، ثم البرتقالي المائل إلى البياض عندما يصبح أكثر سخونة، وما إلى ذلك.
(تذكر أن "الأبيض" هو الطريقة التي نختبر بها مزيجًا متساويًا من جميع الألوان.)
دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة.
تحتوي لافتة نيون على غاز في درجة حرارة طبيعية يتم تحميسه بالكهرباء.
لذلك فإن الضوء المنبعث من علامة النيون قريب من طيف الخط (فقط عدد قليل من الألوان المحددة بدقة).
في المقابل، تحتوي الشمس على غاز، لكن الغاز يكون عند درجة حرارة عالية بحيث يكون الضوء المنبعث قريبًا من طيف الجسم الأسود.
العناصر المعدنية في محمصة الخبز، والموقد الكهربائي، والمصباح المتوهج كلها صلبة وبالتالي تتوهج عند تسخينها بحيث يكون الضوء الذي تنتجه قريبًا من طيف الجسم الأسود، والذي يحتوي على جميع الألوان وبالتالي يكون أبيض اللون.
الآن دعونا نطبق هذا على لهب نار المخيم.
للوهلة الأولى، قد تعتقد أن المساحة التي يوجد بها اللهب تحتوي فقط على غازات، لذلك يجب أن يكون الضوء المنبعث عبارة عن طيف خطي مع عدد قليل من الألوان المميزة.
من الواضح أن هذا ليس هو الحال.
يحتوي اللهب على مجموعة واسعة من الألوان، من الأحمر إلى البرتقالي إلى الأصفر وجميع الألوان بينهما.
لذلك يجب أن يكون هناك ما هو أكثر من الغازات الساخنة.
أفضل وصف عام للون لهب نار المخيم هو: برتقالي مائل للصفرة.
يتطابق هذا الوصف تمامًا مع ما نتوقعه من الإشعاع الحراري المتوهج.
اتضح أن لهب نار المخيم يحتوي على جزيئات صلبة صغيرة من خشب نصف محترق تسمى "السخام" وهي شديدة السخونة لدرجة أنها تتوهج.
تتوهج بنفس الطريقة التي تتوهج بها عناصر الموقد الكهربائي.
عندما تنظر إلى لهب برتقالي مائل للبياض، فأنت تنظر إلى سحابة صغيرة، وساخنة، ومتوهجة، وقطع صلبة من وقود نصف محترق.
يمسك الهواء الساخن الذي يتدفق لأعلى هذا السخام المتوهج ويحمله لأعلى.
مع ارتفاع السخام ، يبرد ويتحول طيفه الحراري إلى ألوان منخفضة باستمرار.
هذا هو السبب في أن الجزء السفلي من اللهب أصفر مائل للبياض، وعندما تبدو أعلى، فإنه يتغير إلى اللون البرتقالي المائل إلى البياض، ثم الأحمر المائل إلى البياض، ثم إلى الأشعة تحت الحمراء المبيضة (التي لا يمكننا رؤيتها، ولكن يمكننا الشعور بها. أيادينا).
تمتد شعلة نار المخيم في الواقع إلى أمتار في الهواء، ولا يمكننا رؤية الجزء العلوي فقط لأن السخام قد برد بدرجة كافية لإصدار ألوان الأشعة تحت الحمراء في الغالب.
ومن المثير للاهتمام، أن وجود السخام نصف المحترق في اللهب، وبالتالي لون اللهب المائل للبياض، هو نتيجة لعدم وجود كمية كافية من الأكسجين.
إذا تم ضخ الأكسجين بسرعة كافية في النار، أو تم خلطه مسبقًا بالوقود بشكل صحيح، فسيتم حرق كل الوقود على طول الطريق ولا يوجد سخام.
إضافة ما يكفي من الأكسجين الإضافي يجعل اللهب البرتقالي المائل للبياض يختفي.
اللون الذي يبقى في اللهب (عادة أزرق) ناتج عن انتقالات الإلكترون المتضمنة في التفاعل الكيميائي نفسه.
الوقود الذي لا يحتاج إلى الكثير من الأكسجين ليحترق، مثل الغاز الطبيعي في موقد الغاز، يمكن أن يحترق دون إطلاق جزيئات متوهجة ذات لون برتقالي مائل للصفرة.
التسميات
أسئلة كيميائية