Kako spektroskopija pomaže u prepoznavanju elemenata?

Tijekom 1800-ih i početkom 1900-ih znanstvenici su imali alate za provođenje nekih prilično sofisticiranih mjerenja na svjetlosti. Na primjer, mogli bi svjetlost provući kroz prizmu ili je odbiti od rešetke i podijeliti dolaznu svjetlost u sve njene boje. Na kraju bi dobili sliku intenziteta izvora svjetlosti u svim različitim bojama. To širenje boja naziva se spektar, a znanstvenici koji su ispitivali te spektre bili su pomalo zbunjeni širenjem boja koje su vidjeli. Prva desetljeća 1900-ih doživjela su velik pomak u razumijevanju. Znanstvenici sada razumiju kako se spektroskopija može koristiti za identificiranje elemenata i spojeva.

Svjetlost sadrži energiju. Ako atom ima dodatnu energiju, može ga se riješiti slanjem malog paketa svjetlosti, zvanog foton. Također djeluje i obrnuto: ako se foton približi atomu koji bi mogao potrošiti nešto dodatne energije, atom ga može apsorbirati. Kad su znanstvenici prvi put počeli točno mjeriti spektre, jedna od stvari koja ih je zbunila bila je ta što su mnogi spektri bili prekidani. Odnosno, kad je natrij izgorio, njegov spektar nije bio glatko širenje žute svjetlosti - to je bilo nekoliko različitih, sitnih traka žute boje. I svaki drugi atom je na isti način. Kao da bi elektroni u atomima mogli apsorbirati i emitirati samo vrlo uski raspon energija - a ispostavilo se da je to točno slučaj.

Otkriće da elektroni u atomu mogu emitirati i apsorbirati samo određene razine energije srce je područja kvantne mehanike. Možete to pomisliti kao da se elektron nalazi na svojevrsnim ljestvama oko jezgre svog atoma. Što je više na ljestvama, to više energije ima - ali nikada ne može biti između stepenica ljestvice, mora biti na jednom ili drugom koraku. Ti se koraci nazivaju razinama energije. Dakle, ako je elektron u visokoj energetskoj razini, on se može riješiti dodatne energije spuštanjem na bilo koju od nižih razina - ali ne bilo gdje između.

Atom ostaje zajedno jer je jezgra u njegovom središtu pozitivno nabijena, a elektroni koji zvižde negativno nabijeni. Suprotni naboji privlače jedni druge, pa bi elektroni nastojali ostati blizu jezgre. Ali snaga privlačenja ovisi o tome koliko je pozitivnih naboja u jezgri, i o tome koliko drugih elektroni fijuču uokolo, nekako blokirajući najudaljenije elektrone da osjete privlačenje pozitiva jezgra. Dakle, razine energije u atomu ovise o tome koliko je protona u jezgri i koliko elektrona kruži oko jezgre. Ali kada atom ima različit broj protona i elektrona, on postaje drugi element.

Budući da svaki element ima različit broj protona u jezgri, razina energije svakog elementa je jedinstvena. Znanstvenici te podatke mogu koristiti na dva glavna načina. Prvo, kada tvar dobije dodatnu energiju - na primjer kada u plamen stavite sol - elementi u tvari često će se riješiti te energije emitirajući svjetlost, koja se naziva emisijski spektar. Drugo, kada svjetlost putuje kroz plin, na primjer, plin može apsorbirati dio te svjetlosti - to je apsorpcijski spektar. U emisijskim spektrima pokazat će se svijetle crte koje odgovaraju razlici između razine energije elemenata, gdje će u apsorpcijskom spektru linije biti tamne. Gledajući uzorak linija, znanstvenici mogu dokučiti razinu energije elemenata u uzorku. Budući da svaki element ima jedinstvenu razinu energije, spektri mogu pomoći u identificiranju elemenata u uzorku.