Kuidas aitab spektroskoopia elemente tuvastada?

1800-ndatel ja 1900-ndate aastate alguses olid teadlastel vahendid valguse kohta üsna keerukate mõõtmiste tegemiseks. Näiteks võivad nad panna valguse läbi prisma või põrgata selle restilt ja jagada sissetulev valgus kõikidesse selle värvidesse. Nende tulemuseks oleks pilt valgusallika intensiivsusest kõigis erinevates värvides. Seda värvide levikut nimetatakse spektriks ja neid spektreid uurinud teadlased olid nende värvide levikust veidi segaduses. 1900. aastate esimestel kümnenditel nähti mõistmises suurt hüpet. Teadlased mõistavad nüüd, kuidas spektroskoopiat saab kasutada elementide ja ühendite tuvastamiseks.

Valgus sisaldab energiat. Kui aatomil on lisaenergiat, saab ta sellest lahti saada, saates välja väikese valgusepaki, mida nimetatakse footoniks. See töötab ka vastupidi: kui footon satub aatomi lähedale, mis võiks kasutada lisaenergiat, võib footon aatomi neelata. Kui teadlased hakkasid spektreid täpselt mõõtma, segas neid üks asi, et paljud spektrid olid katkendlikud. See tähendab, et naatriumi põletamisel ei olnud selle spekter kollase valguse sujuv levik - see oli paar erinevat, väikest kollast riba. Ja kõik teised aatomid on samamoodi. Tundub, nagu saaksid aatomites olevad elektronid neelata ja eraldada ainult väga kitsa energiate vahemiku - ja see osutus täpselt nii.

Avastus, et aatomi elektronid suudavad emiteerida ja neelata ainult kindlaid energiatasemeid, on kvantmehaanika valdkonna süda. Võite mõelda sellele, nagu oleks elektron mingil redelil oma aatomi tuuma ümber. Mida kõrgemal on redel, seda rohkem on sellel energiat - kuid see ei saa kunagi redeli astmete vahel olla, see peab olema ühel või teisel astmel. Neid samme nimetatakse energiatasemeks. Niisiis, kui elektron on kõrgel energiatasemel, võib see vabaneda lisaenergiast, langedes alla mõnele madalamale tasemele - kuid mitte kuskil vahepeal.

Aatom püsib koos, kuna selle keskmes olev tuum on positiivselt laetud ja vilisevad elektronid on negatiivselt laetud. Vastupidised laengud meelitavad üksteist, nii et elektronid kipuksid jääma tuuma lähedale. Kuid tõmbe tugevus sõltub sellest, kui palju positiivseid laenguid tuumas on ja kui palju muid elektronid vilistavad ringi, blokeerides justkui äärepoolseimad elektronid positiivse tõmbe tundmist tuum. Niisiis sõltuvad aatomi energiatasemed sellest, kui palju prootoneid on tuumas ja mitu elektroni tuuma ümber. Kuid kui aatomil on erinev prootonite ja elektronide arv, saab sellest erinev element.

Kuna igal elemendil on tuumas erinev arv prootoneid, on iga elemendi energiatase ainulaadne. Teadlased saavad seda teavet kasutada kahel peamisel viisil. Esiteks, kui aine saab lisaenergiat - näiteks kui panete leeki soola -, siis aine elemendid vabanevad sellest energiast sageli valguse kiirgamise kaudu, mida nimetatakse heitkoguste spektriks. Teiseks, millal valgusreisid näiteks gaasi kaudu võib gaas neelata osa sellest valgusest - see on neeldumisspekter. Emissioonispektrites ilmuvad heledad jooned, mis vastavad elementide energiataseme erinevusele, kus neeldumisspektris on jooned tumedad. Joonte mustrit vaadates saavad teadlased välja selgitada valimis sisalduvate elementide energiataseme. Kuna igal elemendil on ainulaadne energiatase, võivad spektrid aidata proovis olevaid elemente tuvastada.