Während des 19. und frühen 20. Jahrhunderts verfügten die Wissenschaftler über die Werkzeuge, um einige ziemlich ausgeklügelte Lichtmessungen durchzuführen. Sie könnten beispielsweise Licht durch ein Prisma schicken oder von einem Gitter abprallen lassen und einfallendes Licht in alle seine Farben aufteilen. Sie würden am Ende ein Bild der Intensität der Lichtquelle bei allen verschiedenen Farben erhalten. Diese Farbverteilung wird als Spektrum bezeichnet, und die Wissenschaftler, die diese Spektren untersuchten, waren durch die Farbverteilung, die sie sahen, etwas verwirrt. Die ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts brachten einen großen Erkenntnissprung. Wissenschaftler verstehen jetzt, wie Spektroskopie verwendet werden kann, um Elemente und Verbindungen zu identifizieren.
Quantenmechanik und Spektren
Licht enthält Energie. Wenn ein Atom über zusätzliche Energie verfügt, kann es diese loswerden, indem es ein kleines Lichtpaket aussendet, das als Photon bezeichnet wird. Es funktioniert auch umgekehrt: Wenn ein Photon in die Nähe eines Atoms kommt, das zusätzliche Energie verbrauchen könnte, kann das Photon vom Atom absorbiert werden. Als Wissenschaftler zum ersten Mal mit der genauen Messung von Spektren begannen, war eines der Dinge, die sie verwirrten, dass viele Spektren diskontinuierlich waren. Das heißt, wenn Natrium verbrannt wurde, war sein Spektrum keine glatte Ausbreitung von gelbem Licht – es waren ein paar deutliche, winzige gelbe Streifen. Und jedes andere Atom ist genauso. Es ist, als könnten die Elektronen in den Atomen nur einen sehr engen Energiebereich aufnehmen und emittieren - und genau das war der Fall.
Energieniveaus
Die Entdeckung, dass Elektronen in einem Atom nur bestimmte Energieniveaus emittieren und absorbieren können, ist das Herzstück der Quantenmechanik. Man kann sich das so vorstellen, als ob sich ein Elektron auf einer Art Leiter um den Kern seines Atoms befindet. Je höher die Leiter, desto mehr Energie hat sie – aber sie kann niemals zwischen den Stufen der Leiter sein, sie muss auf der einen oder anderen Stufe sein. Diese Schritte werden Energieniveaus genannt. Wenn sich ein Elektron also auf einem hohen Energieniveau befindet, kann es zusätzliche Energie loswerden, indem es auf eines der niedrigeren Niveaus fällt – aber nicht irgendwo dazwischen.
Wo sind die Energielevel?
Ein Atom bleibt zusammen, weil der Kern in seinem Zentrum positiv geladen ist und die sausenden Elektronen negativ geladen sind. Gegensätzliche Ladungen ziehen sich an, sodass die Elektronen dazu neigen, nahe am Kern zu bleiben. Die Stärke der Anziehung hängt jedoch davon ab, wie viele positive Ladungen sich im Kern befinden und wie viele andere many Elektronen sausen herum und hindern die äußersten Elektronen daran, die Anziehungskraft des Positiven zu spüren Kern. Die Energieniveaus in einem Atom hängen also davon ab, wie viele Protonen sich im Kern befinden und wie viele Elektronen den Kern umkreisen. Aber wenn ein Atom eine andere Anzahl von Protonen und Elektronen hat, wird es zu einem anderen Element.
Spektren und Elemente
Da jedes Element eine unterschiedliche Anzahl von Protonen im Kern hat, ist das Energieniveau jedes Elements einzigartig. Wissenschaftler können diese Informationen auf zwei Arten nutzen. Erstens, wenn eine Substanz zusätzliche Energie erhält – zum Beispiel wenn Sie Salz in eine Flamme geben – werden die Elemente in der Substanz diese Energie oft durch die Emission von Licht, einem sogenannten Emissionsspektrum, los. Zweitens, wenn Licht reist Durch ein Gas kann das Gas beispielsweise einen Teil dieses Lichts absorbieren – das ist ein Absorptionsspektrum. In Emissionsspektren erscheinen helle Linien, die dem Unterschied zwischen den Energieniveaus der Elemente entsprechen, während in einem Absorptionsspektrum die Linien dunkel sind. Anhand des Linienmusters können Wissenschaftler die Energieniveaus der Elemente in der Probe ermitteln. Da jedes Element über einzigartige Energieniveaus verfügt, können die Spektren bei der Identifizierung von Elementen in einer Probe helfen.
