През 1800-те и началото на 1900-те учените разполагат с инструментите за извършване на някои доста сложни измервания на светлината. Например, те биха могли да прокарат светлината през призма или да я отскочат от решетка и да разделят входящата светлина във всичките й цветове. В крайна сметка те биха получили картина на интензивността на източника на светлина при всички различни цветове. Това разпространение на цветовете се нарича спектър и учените, които са изследвали тези спектри, са били малко объркани от разпространението на цветовете, което са видели. Първите десетилетия на 1900 г. отбелязаха голям скок в разбирането. Сега учените разбират как спектроскопията може да се използва за идентифициране на елементи и съединения.
Квантова механика и спектри
Светлината съдържа енергия. Ако атомът има допълнителна енергия, той може да се отърве от него, като изпрати малко пакетче светлина, наречено фотон. Работи и обратното: ако фотонът се доближи до атом, който може да използва допълнителна енергия, фотонът може да бъде абсорбиран от атома. Когато учените за първи път започнаха да измерват точно спектрите, едно от нещата, които ги объркаха, беше, че много спектри бяха прекъснати. Тоест, когато натрият е бил изгорен, неговият спектър не е плавно разпространение на жълтата светлина - това са няколко отделни, малки ивици жълто. И всеки друг атом е по същия начин. Сякаш електроните в атомите могат да абсорбират и излъчват само много тесен диапазон от енергии - и това се оказа точно така.
Енергийни нива
Откритието, че електроните в атома могат да излъчват и абсорбират само определени енергийни нива, е сърцето на областта на квантовата механика. Можете да мислите за това, сякаш електрон е на някаква стълба около ядрото на своя атом. Колкото по-високо е на стълбата, толкова повече енергия има - но никога не може да бъде между стъпалата на стълбата, трябва да е на една или друга стъпка. Тези стъпки се наричат енергийни нива. Така че, ако електронът е на високо енергийно ниво, той може да се отърве от допълнителна енергия, като се спусне до някое от по-ниските нива - но не и някъде между тях.
Къде са нивата на енергия?
Атомът остава заедно, тъй като ядрото в центъра му е заредено положително, а свистящите електрони са отрицателно заредени. Противоположните заряди се привличат един друг, така че електроните ще имат тенденция да останат близо до ядрото. Но силата на привличането зависи от това колко положителни заряда са в ядрото и от колко други електроните бръмчат наоколо, като блокират най-отдалечените електрони да усетят привличането на положителното ядро. Така че енергийните нива в атома зависят от това колко протони са в ядрото и колко електрони обикалят около ядрото. Но когато атомът има различен брой протони и електрони, той се превръща в различен елемент.
Спектри и елементи
Тъй като всеки елемент има различен брой протони в ядрото, енергийното ниво на всеки елемент е уникално. Учените могат да използват тази информация по два основни начина. Първо, когато дадено вещество получи допълнителна енергия - например, когато сложите сол в пламък - елементите в веществото често ще се отърват от тази енергия, като излъчват светлина, наречена емисионен спектър. Второ, кога светлината пътува чрез газ, например, газът може да абсорбира част от тази светлина - това е абсорбционен спектър. В емисионните спектри ще се появят ярки линии, съответстващи на разликата между енергийните нива на елементите, където в спектъра на поглъщане линиите ще бъдат тъмни. Разглеждайки модела на линиите, учените могат да разберат енергийните нива на елементите в пробата. Тъй като всеки елемент има уникални енергийни нива, спектрите могат да помогнат за идентифицирането на елементи в пробата.