Πώς βοηθά η φασματοσκοπία στον εντοπισμό στοιχείων;

Καθ 'όλη τη δεκαετία του 1800 και στις αρχές της δεκαετίας του 1900 οι επιστήμονες είχαν τα εργαλεία για να κάνουν μερικές πολύ περίπλοκες μετρήσεις στο φως. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να βάλουν φως μέσω ενός πρίσματος ή να το αναπηδήσουν από ένα τρίψιμο και να χωρίσουν το εισερχόμενο φως σε όλα τα χρώματα του. Θα καταλήξουν με μια εικόνα της έντασης της πηγής φωτός σε όλα τα διαφορετικά χρώματα. Αυτή η εξάπλωση των χρωμάτων ονομάζεται φάσμα, και οι επιστήμονες που εξέτασαν αυτά τα φάσματα ήταν λίγο μπερδεμένοι με την εξάπλωση των χρωμάτων που είδαν. Οι πρώτες δεκαετίες του 1900 είδαν ένα μεγάλο άλμα στην κατανόηση. Οι επιστήμονες καταλαβαίνουν τώρα πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η φασματοσκοπία για τον προσδιορισμό στοιχείων και ενώσεων.

Το φως περιέχει ενέργεια. Εάν ένα άτομο έχει επιπλέον ενέργεια, μπορεί να το απαλλαγεί στέλνοντας ένα μικρό πακέτο φωτός, που ονομάζεται φωτόνιο. Λειτουργεί επίσης το αντίστροφο: εάν ένα φωτόνιο πλησιάζει ένα άτομο που θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει κάποια επιπλέον ενέργεια, το φωτόνιο μπορεί να απορροφηθεί από το άτομο. Όταν οι επιστήμονες άρχισαν να μετρούν με ακρίβεια τα φάσματα, ένα από τα πράγματα που τους μπερδέψαμε ήταν ότι πολλά φάσματα ήταν ασυνεχή. Δηλαδή, όταν το νάτριο κάηκε, το φάσμα του δεν ήταν μια ομαλή εξάπλωση του κίτρινου φωτός - ήταν δύο ξεχωριστές, μικροσκοπικές ζώνες κίτρινου. Και κάθε άλλο άτομο είναι με τον ίδιο τρόπο. Είναι σαν τα ηλεκτρόνια στα άτομα να μπορούν μόνο να απορροφούν και να εκπέμπουν ένα πολύ στενό εύρος ενεργειών - και αυτό αποδείχθηκε ακριβώς το ίδιο.

Η ανακάλυψη ότι τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο μπορούν να εκπέμπουν και να απορροφούν μόνο συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας είναι η καρδιά του πεδίου της κβαντικής μηχανικής. Μπορείτε να το σκεφτείτε σαν ένα ηλεκτρόνιο να βρίσκεται σε μια σκάλα γύρω από τον πυρήνα του ατόμου του. Όσο υψηλότερη είναι η σκάλα, τόσο περισσότερη ενέργεια έχει - αλλά δεν μπορεί ποτέ να είναι μεταξύ των βημάτων της σκάλας, πρέπει να είναι σε ένα βήμα ή το άλλο. Αυτά τα βήματα ονομάζονται επίπεδα ενέργειας. Έτσι, εάν ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε υψηλό επίπεδο ενέργειας, μπορεί να απαλλαγεί από επιπλέον ενέργεια πέφτοντας σε οποιοδήποτε από τα χαμηλότερα επίπεδα - αλλά όχι οπουδήποτε ενδιάμεσα.

Ένα άτομο παραμένει μαζί επειδή ο πυρήνας στο κέντρο του είναι θετικά φορτισμένος και τα ηλεκτρόνια που εκπλήσσουν φορτίζονται αρνητικά. Τα αντίθετα φορτία προσελκύουν το ένα το άλλο, έτσι τα ηλεκτρόνια τείνουν να παραμένουν κοντά στον πυρήνα. Αλλά η δύναμη της έλξης εξαρτάται από το πόσα θετικά φορτία είναι στον πυρήνα και από πόσα άλλα Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω, κάτι που εμποδίζει τα εξώτατα ηλεκτρόνια να αισθάνονται την έλξη του θετικού πυρήνας. Έτσι, τα επίπεδα ενέργειας σε ένα άτομο εξαρτώνται από το πόσα πρωτόνια βρίσκονται στον πυρήνα και πόσα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα. Αλλά όταν ένα άτομο έχει διαφορετικό αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων γίνεται διαφορετικό στοιχείο.

Επειδή κάθε στοιχείο έχει διαφορετικό αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα, το ενεργειακό επίπεδο κάθε στοιχείου είναι μοναδικό. Οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις πληροφορίες με δύο βασικούς τρόπους. Πρώτον, όταν μια ουσία παίρνει επιπλέον ενέργεια - όπως όταν βάζετε αλάτι σε μια φλόγα - τα στοιχεία της ουσίας συχνά θα απαλλαγούν από αυτήν την ενέργεια εκπέμποντας φως, που ονομάζεται φάσμα εκπομπών. Δεύτερον, όταν το φως ταξιδεύει μέσω ενός αερίου, για παράδειγμα, το αέριο μπορεί να απορροφήσει μέρος αυτού του φωτός - αυτό είναι ένα φάσμα απορρόφησης. Στα φάσματα εκπομπών, θα εμφανιστούν φωτεινές γραμμές που αντιστοιχούν στη διαφορά μεταξύ των επιπέδων ενέργειας των στοιχείων, όπου σε ένα φάσμα απορρόφησης, οι γραμμές θα είναι σκοτεινές. Κοιτάζοντας το μοτίβο των γραμμών, οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν τα επίπεδα ενέργειας των στοιχείων του δείγματος. Δεδομένου ότι κάθε στοιχείο έχει μοναδικά επίπεδα ενέργειας, τα φάσματα μπορούν να βοηθήσουν στον εντοπισμό στοιχείων σε ένα δείγμα.