स्पेक्ट्रोस्कोपी तत्वों की पहचान करने में कैसे मदद करता है?

१८०० और १९०० के दशक की शुरुआत में वैज्ञानिकों के पास प्रकाश पर कुछ बहुत ही परिष्कृत माप करने के लिए उपकरण थे। उदाहरण के लिए, वे प्रिज्म के माध्यम से प्रकाश डाल सकते हैं या इसे झंझरी से उछाल सकते हैं और आने वाली रोशनी को उसके सभी रंगों में विभाजित कर सकते हैं। वे सभी अलग-अलग रंगों में प्रकाश स्रोत की तीव्रता की एक तस्वीर के साथ समाप्त होंगे। रंगों के उस फैलाव को स्पेक्ट्रम कहा जाता है, और जिन वैज्ञानिकों ने उन स्पेक्ट्रा की जांच की, वे उनके द्वारा देखे गए रंगों के फैलाव से थोड़े भ्रमित थे। १९०० के दशक के पहले दशकों में समझ में एक बड़ी छलांग देखी गई। वैज्ञानिक अब समझते हैं कि तत्वों और यौगिकों की पहचान के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कैसे किया जा सकता है।

प्रकाश में ऊर्जा होती है। यदि किसी परमाणु में अतिरिक्त ऊर्जा है, तो वह प्रकाश का एक छोटा पैकेट, जिसे फोटान कहते हैं, भेजकर उससे छुटकारा पा सकता है। यह दूसरे तरीके से भी काम करता है: यदि कोई फोटॉन एक परमाणु के पास आता है जो कुछ अतिरिक्त ऊर्जा का उपयोग कर सकता है, तो परमाणु द्वारा फोटॉन को अवशोषित किया जा सकता है। जब वैज्ञानिकों ने पहली बार स्पेक्ट्रा को सटीक रूप से मापना शुरू किया, तो उन्हें भ्रमित करने वाली चीजों में से एक यह था कि कई स्पेक्ट्रा बंद थे। यही है, जब सोडियम को जलाया गया था, तो इसका स्पेक्ट्रम पीली रोशनी का एक सहज प्रसार नहीं था - यह पीले रंग के कुछ अलग, छोटे बैंड थे। और हर दूसरा परमाणु उसी तरह है। यह ऐसा है जैसे परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन केवल ऊर्जा की एक बहुत ही संकीर्ण सीमा को अवशोषित और उत्सर्जित कर सकते हैं - और यह बिल्कुल सही निकला।

यह खोज कि एक परमाणु में इलेक्ट्रॉन केवल विशिष्ट ऊर्जा स्तरों का उत्सर्जन और अवशोषण कर सकते हैं, क्वांटम यांत्रिकी के क्षेत्र का दिल है। आप इसे ऐसे सोच सकते हैं जैसे कोई इलेक्ट्रॉन अपने परमाणु के नाभिक के चारों ओर एक प्रकार की सीढ़ी पर हो। सीढ़ी जितनी ऊंची होगी, उतनी ही अधिक ऊर्जा उसके पास होगी - लेकिन वह सीढ़ी के चरणों के बीच कभी नहीं हो सकती, उसे एक कदम या दूसरे पर होना चाहिए। उन चरणों को ऊर्जा स्तर कहा जाता है। इसलिए, यदि कोई इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर पर है, तो वह किसी भी निचले स्तर पर गिरकर अतिरिक्त ऊर्जा से छुटकारा पा सकता है - लेकिन बीच में कहीं भी नहीं।

एक परमाणु एक साथ रहता है क्योंकि इसके केंद्र में नाभिक धनात्मक रूप से आवेशित होता है और सीटी बजाने वाले इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक रूप से आवेशित होते हैं। विपरीत आवेश एक दूसरे को आकर्षित करते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉन नाभिक के करीब रहने की प्रवृत्ति रखते हैं। लेकिन खिंचाव की ताकत इस बात पर निर्भर करती है कि नाभिक में कितने धनात्मक आवेश हैं, और कितने अन्य पर इलेक्ट्रॉन चारों ओर चक्कर लगा रहे हैं, बाहरीतम इलेक्ट्रॉनों को सकारात्मक के खिंचाव को महसूस करने से रोक रहे हैं केंद्रक तो एक परमाणु में ऊर्जा का स्तर इस बात पर निर्भर करता है कि नाभिक में कितने प्रोटॉन हैं और कितने इलेक्ट्रॉन नाभिक की परिक्रमा कर रहे हैं। लेकिन जब किसी परमाणु में प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की संख्या भिन्न होती है तो वह एक अलग तत्व बन जाता है।

चूंकि प्रत्येक तत्व के नाभिक में प्रोटॉन की एक अलग संख्या होती है, इसलिए प्रत्येक तत्व का ऊर्जा स्तर अद्वितीय होता है। वैज्ञानिक इस जानकारी का दो मुख्य तरीकों से उपयोग कर सकते हैं। सबसे पहले, जब किसी पदार्थ को अतिरिक्त ऊर्जा मिलती है - जैसे कि जब आप एक लौ में नमक डालते हैं - पदार्थ के तत्व अक्सर प्रकाश उत्सर्जित करके उस ऊर्जा से छुटकारा पाते हैं, जिसे उत्सर्जन स्पेक्ट्रम कहा जाता है। दूसरा, जब प्रकाश यात्रा गैस के माध्यम से, उदाहरण के लिए, गैस उस प्रकाश में से कुछ को अवशोषित कर सकती है - वह एक अवशोषण स्पेक्ट्रम है। उत्सर्जन स्पेक्ट्रा में, उज्ज्वल रेखाएं तत्वों के ऊर्जा स्तरों के बीच अंतर के अनुरूप दिखाई देंगी, जहां एक अवशोषण स्पेक्ट्रम में, रेखाएं गहरी होंगी। रेखाओं के पैटर्न को देखकर वैज्ञानिक नमूने में तत्वों के ऊर्जा स्तर का पता लगा सकते हैं। चूंकि प्रत्येक तत्व में अद्वितीय ऊर्जा स्तर होते हैं, स्पेक्ट्रा एक नमूने में तत्वों की पहचान करने में मदद कर सकता है।