V průběhu 19. a počátku 20. století měli vědci nástroje k provádění několika docela sofistikovaných měření světla. Mohli například prosvětlit hranol nebo ho odrazit od mřížky a rozdělit přicházející světlo do všech jeho barev. Skončili by s obrázkem intenzity světelného zdroje ve všech různých barvách. Toto šíření barev se nazývá spektrum a vědci, kteří tato spektra zkoumali, byli trochu zmateni šířením barev, které viděli. V prvních desetiletích 20. století došlo k velkému skoku v porozumění. Vědci nyní chápou, jak lze spektroskopii použít k identifikaci prvků a sloučenin.
Kvantová mechanika a spektra
Světlo obsahuje energii. Pokud má atom energii navíc, může se jí zbavit vysláním malého balíčku světla, který se nazývá foton. Funguje to i obráceně: pokud se foton přiblíží k atomu, který by mohl použít nějakou energii navíc, může být foton atomem absorbován. Když vědci poprvé začali přesně měřit spektra, jedna z věcí, která je zmátla, byla ta, že mnoho spekter bylo nespojitých. To znamená, že když byl sodík spálen, jeho spektrum nebylo plynulým rozšířením žlutého světla - bylo to pár zřetelných, drobných pruhů žluté. A každý další atom je stejný. Je to, jako by elektrony v atomech mohly absorbovat a emitovat jen velmi úzký rozsah energií - a ukázalo se, že tomu tak bylo přesně.
Úrovně energie
Objev, že elektrony v atomu mohou emitovat a absorbovat pouze určité energetické úrovně, je srdcem oblasti kvantové mechaniky. Můžete si to představit, jako by se elektron nacházel na jakémsi žebříku kolem jádra jeho atomu. Čím vyšší je na žebříku, tím více energie má - ale nikdy nemůže být mezi schody žebříku, musí být na jednom nebo druhém kroku. Tyto kroky se nazývají energetické úrovně. Pokud je tedy elektron na vysoké energetické úrovni, může se zbavit další energie tím, že spadne na některou z nižších úrovní - ale ne nikde mezi tím.
Kde jsou energetické úrovně?
Atom zůstává pohromadě, protože jádro v jeho středu je kladně nabité a svící elektrony jsou záporně nabité. Opačné náboje se navzájem přitahují, takže elektrony by měly tendenci zůstat blízko jádra. Síla tahu však závisí na tom, kolik kladných nábojů je v jádru, a na tom, kolik dalších elektrony kolem sviští, tak nějak blokují nejvzdálenější elektrony, aby necítily tah pozitivního jádro. Energetické hladiny v atomu tedy závisí na tom, kolik protonů je v jádru a kolik elektronů obíhá kolem jádra. Ale když má atom jiný počet protonů a elektronů, stane se z něj jiný prvek.
Spektra a prvky
Protože každý prvek má v jádře jiný počet protonů, je energetická úroveň každého prvku jedinečná. Vědci mohou tyto informace použít dvěma hlavními způsoby. Za prvé, když látka získá extra energii - například když dáte sůl do plamene - prvky v látce se této energie často zbaví vyzařováním světla, které se nazývá emisní spektrum. Zadruhé, když světlo cestuje například prostřednictvím plynu může plyn absorbovat část tohoto světla - to je absorpční spektrum. V emisních spektrech se objeví jasné čáry odpovídající rozdílu mezi energetickými hladinami prvků, kde v absorpčním spektru budou čáry tmavé. Při pohledu na vzorec čar mohou vědci zjistit energetické hladiny prvků ve vzorku. Protože každý prvek má jedinečné energetické úrovně, mohou spektra pomoci identifikovat prvky ve vzorku.