1800-luvulla ja 1900-luvun alkupuolella tutkijoilla oli työkalut melko hienostuneiden valomittausten tekemiseen. He voisivat esimerkiksi laittaa valon prisman läpi tai pomppia sen pois ritilästä ja jakaa tulevan valon kaikkiin väreihinsä. He saisivat kuvan valonlähteen voimakkuudesta kaikissa eri väreissä. Tätä värien leviämistä kutsutaan spektriksi, ja nämä spektrit tutkineet tutkijat olivat hieman hämmentyneitä näkemiensä värien leviämisestä. 1900-luvun ensimmäiset vuosikymmenet näkivät suuren ymmärryksen harppauksen. Tutkijat ymmärtävät nyt, kuinka spektroskopiaa voidaan käyttää alkuaineiden ja yhdisteiden tunnistamiseen.
Kvanttimekaniikka ja spektrit
Valo sisältää energiaa. Jos atomilla on ylimääräistä energiaa, se voi päästä eroon lähettämällä pienen valopaketin, jota kutsutaan fotoniksi. Se toimii myös päinvastoin: jos fotoni tulee lähelle atomia, joka voisi käyttää ylimääräistä energiaa, atomi voi absorboida fotonin. Kun tutkijat alkoivat ensin mitata spektrejä tarkasti, yksi niistä sekoitti asioita, että monet spektrit olivat epäjatkuvia. Toisin sanoen, kun natrium poltettiin, sen spektri ei ollut tasainen keltaisen valon leviäminen - se oli pari erillistä, pientä keltaista nauhaa. Ja jokainen toinen atomi on samalla tavalla. Näyttää siltä, että atomien elektronit voisivat absorboida ja lähettää vain hyvin kapean alueen energiaa - ja se osoittautui täsmälleen niin.
Energiatasot
Löytö, jonka mukaan atomin elektronit voivat lähettää ja absorboida vain tiettyjä energiatasoja, on kvanttimekaniikan kentän sydän. Voit ajatella tätä ikään kuin elektroni olisi eräänlaisilla tikkailla atomin ytimen ympärillä. Mitä korkeammalla tikkailla on, sitä enemmän energiaa sillä on - mutta se ei voi koskaan olla tikkaiden portaiden välissä, sen on oltava yksi tai toinen askel. Näitä vaiheita kutsutaan energiatasoiksi. Joten, jos elektroni on korkealla energiatasolla, se voi päästä eroon ylimääräisestä energiasta pudottamalla mihin tahansa alemmasta tasosta - mutta ei missään välissä.
Missä ovat energiatasot?
Atomi pysyy yhdessä, koska sen keskellä oleva ydin on positiivisesti varattu ja viheltävät elektronit ovat negatiivisesti varattuja. Vastakkaiset varaukset houkuttelevat toisiaan, joten elektronit pyrkivät pysymään lähellä ydintä. Mutta vetovoima riippuu siitä, kuinka monta positiivista varausta ytimessä on, ja kuinka monesta muusta elektronit vihisevät ympäriinsä, tavallaan estäen uloimpia elektroneja tuntemasta positiivisen vetoa ydin. Joten atomin energiatasot riippuvat siitä, kuinka monta protonia on ytimessä ja kuinka monta elektronia kiertää ytimessä. Mutta kun atomilla on erilainen määrä protoneja ja elektroneja, siitä tulee erilainen elementti.
Spektrit ja elementit
Koska jokaisella elementillä on eri määrä protoneja ytimessä, kunkin elementin energiataso on ainutlaatuinen. Tutkijat voivat käyttää tätä tietoa kahdella tavalla. Ensinnäkin, kun aine saa ylimääräistä energiaa - kuten esimerkiksi kun laitat suolaa liekkiin - aineen elementit pääsevät usein eroon tästä energiasta lähettämällä valoa, jota kutsutaan emissiospektriksi. Toiseksi, milloin valo kulkee esimerkiksi kaasun kautta kaasu voi absorboida osan valosta - se on absorptiospektri. Päästöspektreissä kirkkaat viivat näkyvät vastaavasti elementtien energiatasojen välistä eroa, jossa absorptiospektrissä viivat ovat tummia. Tarkastelemalla viivakuviota tutkijat voivat selvittää näytteessä olevien elementtien energiatasot. Koska jokaisella elementillä on ainutlaatuiset energiatasot, spektrit voivat auttaa tunnistamaan näytteen elementit.