Tout au long des années 1800 et au début des années 1900, les scientifiques disposaient des outils nécessaires pour effectuer des mesures assez sophistiquées de la lumière. Par exemple, ils pourraient faire passer la lumière à travers un prisme ou la faire rebondir sur un réseau et diviser la lumière entrante en toutes ses couleurs. Ils se retrouveraient avec une image de l'intensité de la source lumineuse à toutes les couleurs différentes. Cette diffusion de couleurs s'appelle un spectre, et les scientifiques qui ont examiné ces spectres étaient un peu confus par la diffusion de couleurs qu'ils ont vue. Les premières décennies des années 1900 ont vu un grand saut dans la compréhension. Les scientifiques comprennent maintenant comment la spectroscopie peut être utilisée pour identifier des éléments et des composés.
Mécanique quantique et spectres
La lumière contient de l'énergie. Si un atome a de l'énergie supplémentaire, il peut s'en débarrasser en envoyant un petit paquet de lumière, appelé photon. Cela fonctionne également dans l'autre sens: si un photon s'approche d'un atome qui pourrait utiliser de l'énergie supplémentaire, le photon peut être absorbé par l'atome. Lorsque les scientifiques ont commencé à mesurer avec précision les spectres, l'une des choses qui les a déroutés était que de nombreux spectres étaient discontinus. C'est-à-dire que lorsque le sodium a été brûlé, son spectre n'était pas une diffusion régulière de lumière jaune - c'était quelques bandes distinctes et minuscules de jaune. Et chaque autre atome est de la même manière. C'est comme si les électrons dans les atomes ne pouvaient absorber et émettre qu'une gamme d'énergies très étroite - et cela s'est avéré être exactement le cas.
Niveaux d'énergie
La découverte que les électrons d'un atome ne peuvent qu'émettre et absorber des niveaux d'énergie spécifiques est au cœur du domaine de la mécanique quantique. Vous pouvez penser à cela comme si un électron était sur une sorte d'échelle autour du noyau de son atome. Plus il est haut sur l'échelle, plus il a d'énergie - mais cela ne peut jamais être entre les marches de l'échelle, il doit être sur une marche ou une autre. Ces étapes sont appelées niveaux d'énergie. Ainsi, si un électron est à un niveau d'énergie élevé, il peut se débarrasser de l'énergie supplémentaire en descendant à l'un des niveaux inférieurs - mais pas n'importe où entre les deux.
Où sont les niveaux d'énergie ?
Un atome reste ensemble parce que le noyau en son centre est chargé positivement et les électrons sifflants sont chargés négativement. Les charges opposées s'attirent, de sorte que les électrons auraient tendance à rester près du noyau. Mais la force de l'attraction dépend du nombre de charges positives dans le noyau et du nombre d'autres les électrons sifflent, empêchant en quelque sorte les électrons les plus externes de ressentir l'attraction du positif noyau. Ainsi, les niveaux d'énergie dans un atome dépendent du nombre de protons dans le noyau et du nombre d'électrons en orbite autour du noyau. Mais lorsqu'un atome a un nombre différent de protons et d'électrons, il devient un élément différent.
Spectres et éléments
Parce que chaque élément a un nombre différent de protons dans le noyau, le niveau d'énergie de chaque élément est unique. Les scientifiques peuvent utiliser ces informations de deux manières principales. Premièrement, lorsqu'une substance reçoit de l'énergie supplémentaire - comme lorsque vous mettez du sel dans une flamme - les éléments de la substance se débarrassent souvent de cette énergie en émettant de la lumière, appelée spectre d'émission. Deuxièmement, quand voyages légers à travers un gaz, par exemple, le gaz peut absorber une partie de cette lumière - c'est un spectre d'absorption. Dans les spectres d'émission, des raies lumineuses apparaîtront correspondant à la différence entre les niveaux d'énergie des éléments, là où dans un spectre d'absorption, les raies seront sombres. En examinant le motif des lignes, les scientifiques peuvent déterminer les niveaux d'énergie des éléments de l'échantillon. Étant donné que chaque élément a des niveaux d'énergie uniques, les spectres peuvent aider à identifier les éléments dans un échantillon.