Hvordan hjælper spektroskopi med at identificere elementer?

I løbet af 1800'erne og begyndelsen af ​​1900'erne havde forskerne værktøjerne til at foretage nogle ret sofistikerede målinger på lys. For eksempel kunne de sætte lys gennem et prisme eller hoppe det af et gitter og dele indkommende lys i alle dets farver. De ville ende med et billede af lyskildens intensitet i alle forskellige farver. Denne farvespredning kaldes et spektrum, og forskerne, der undersøgte disse spektre, var lidt forvirrede af spredningen af ​​farver, de så. De første årtier i 1900'erne oplevede et stort spring i forståelsen. Forskere forstår nu, hvordan spektroskopi kan bruges til at identificere grundstoffer og forbindelser.

Lys indeholder energi. Hvis et atom har ekstra energi, kan det slippe af med det ved at sende en lille pakke lys, kaldet foton. Det fungerer også omvendt: hvis en foton kommer i nærheden af ​​et atom, der kan bruge lidt ekstra energi, kan fotonet absorberes af atomet. Da forskere først begyndte nøjagtigt at måle spektre, var en af ​​de ting, der forvirrede dem, at mange spektre var diskontinuerlige. Det vil sige, da natrium blev brændt, var dets spektrum ikke en jævn spredning af gult lys - det var et par forskellige, små bånd af gul. Og hvert andet atom er på samme måde. Det er som om elektronerne i atomerne kun kunne absorbere og udsende et meget smalt område af energier - og det viste sig at være nøjagtigt tilfældet.

Opdagelsen af, at elektroner i et atom kun kan udsende og absorbere specifikke energiniveauer, er hjertet i kvantemekanikens felt. Du kan tænke på dette som om en elektron er på en slags stige omkring kernen i dets atom. Jo højere på stigen, jo mere energi har den - men det kan aldrig være mellem trappetrinnene, den skal være på et eller andet trin. Disse trin kaldes energiniveauer. Så hvis en elektron har et højt energiniveau, kan den slippe af med ekstra energi ved at falde ned til et af de lavere niveauer - men ikke hvor som helst imellem.

Et atom forbliver sammen, fordi kernen i dets centrum er positivt ladet, og de hviskende elektroner er negativt ladede. Modsatte ladninger tiltrækker hinanden, så elektronerne ville have tendens til at forblive tæt på kernen. Men styrken ved træk afhænger af, hvor mange positive ladninger der er i kernen, og af hvor mange andre elektroner suser rundt og slags blokerer de yderste elektroner fra at føle trækket af det positive kerne. Så energiniveauerne i et atom afhænger af, hvor mange protoner der er i kernen, og hvor mange elektroner der kredser om kernen. Men når et atom har et andet antal protoner og elektroner, bliver det et andet element.

Fordi hvert element har et forskelligt antal protoner i kernen, er energiniveauet for hvert element unikt. Forskere kan bruge disse oplysninger på to hovedmåder. For det første, når et stof får ekstra energi - som når du lægger salt i en flamme - vil elementerne i stoffet ofte slippe af med den energi ved at udsende lys, kaldet et emissionsspektrum. For det andet, hvornår lys rejser gennem en gas kan for eksempel gassen absorbere noget af det lys - det er et absorptionsspektrum. I emissionsspektre vises lyse linjer svarende til forskellen mellem elementernes energiniveauer, hvor linjerne i et absorptionsspektrum er mørke. Ved at se på linjemønsteret kan forskere finde ud af energiniveauerne i elementerne i prøven. Da hvert element har unikke energiniveauer, kan spektrene hjælpe med at identificere elementer i en prøve.