A lo largo de la década de 1800 y principios de la de 1900, los científicos tenían las herramientas para realizar algunas mediciones bastante sofisticadas de la luz. Por ejemplo, podrían poner luz a través de un prisma o rebotar en una rejilla y dividir la luz entrante en todos sus colores. Terminarían con una imagen de la intensidad de la fuente de luz en todos los colores diferentes. Esa extensión de colores se llama espectro, y los científicos que examinaron esos espectros estaban un poco confundidos por la extensión de colores que vieron. Las primeras décadas del siglo XX vieron un gran salto en la comprensión. Los científicos ahora comprenden cómo se puede utilizar la espectroscopia para identificar elementos y compuestos.
Mecánica cuántica y espectros
La luz contiene energía. Si un átomo tiene energía extra, puede deshacerse de ella enviando un pequeño paquete de luz, llamado fotón. También funciona al revés: si un fotón se acerca a un átomo que podría usar algo de energía adicional, el fotón puede ser absorbido por el átomo. Cuando los científicos comenzaron a medir espectros con precisión, una de las cosas que los confundió fue que muchos espectros eran discontinuos. Es decir, cuando se quemó sodio, su espectro no era una extensión uniforme de luz amarilla, sino un par de pequeñas bandas de amarillo distintas. Y todos los demás átomos son de la misma manera. Es como si los electrones de los átomos solo pudieran absorber y emitir un rango muy estrecho de energías, y ese resultó ser exactamente el caso.
Niveles de energía
El descubrimiento de que los electrones en un átomo solo pueden emitir y absorber niveles de energía específicos es el corazón del campo de la mecánica cuántica. Puede pensar en esto como si un electrón estuviera en una especie de escalera alrededor del núcleo de su átomo. Cuanto más alto en la escalera, más energía tiene, pero nunca puede estar entre los escalones de la escalera, tiene que estar en un escalón u otro. Esos pasos se denominan niveles de energía. Por lo tanto, si un electrón está en un nivel de energía alto, puede deshacerse de la energía adicional descendiendo a cualquiera de los niveles más bajos, pero no en ningún punto intermedio.
¿Dónde están los niveles de energía?
Un átomo permanece unido porque el núcleo en su centro está cargado positivamente y los electrones zumbantes están cargados negativamente. Las cargas opuestas se atraen entre sí, por lo que los electrones tienden a permanecer cerca del núcleo. Pero la fuerza del tirón depende de cuántas cargas positivas hay en el núcleo y de cuántas otras los electrones zumban alrededor, como bloqueando los electrones más externos para que no sientan la atracción del positivo núcleo. Entonces, los niveles de energía en un átomo dependen de cuántos protones hay en el núcleo y cuántos electrones están orbitando el núcleo. Pero cuando un átomo tiene un número diferente de protones y electrones, se convierte en un elemento diferente.
Espectros y elementos
Debido a que cada elemento tiene un número diferente de protones en el núcleo, el nivel de energía de cada elemento es único. Los científicos pueden utilizar esta información de dos formas principales. Primero, cuando una sustancia obtiene energía adicional, como cuando se pone sal en una llama, los elementos de la sustancia a menudo se deshacen de esa energía emitiendo luz, llamada espectro de emisión. Segundo, cuando la luz viaja a través de un gas, por ejemplo, el gas puede absorber algo de esa luz; eso es un espectro de absorción. En los espectros de emisión, aparecerán líneas brillantes correspondientes a la diferencia entre los niveles de energía de los elementos, mientras que en un espectro de absorción, las líneas serán oscuras. Al observar el patrón de líneas, los científicos pueden calcular los niveles de energía de los elementos de la muestra. Dado que cada elemento tiene niveles de energía únicos, los espectros pueden ayudar a identificar elementos en una muestra.