Az 1800-as évek és az 1900-as évek elején a tudósoknak megvoltak az eszközeik, hogy meglehetősen kifinomult fényméréseket végezzenek. Például a prizmán keresztül tehetik a fényt, vagy visszaverhetik a rácsról, és a bejövő fényt annak minden színére felbonthatják. Végül képet kapnak a fényforrás intenzitásáról minden színben. Ezt a színterjedést spektrumnak nevezzük, és az ezeket a spektrumokat vizsgáló tudósokat kissé megzavarta a látott színek terjedése. Az 1900-as évek első évtizedei nagy megugrást mutattak a megértésben. A tudósok ma már megértették, hogy a spektroszkópiával miként lehet azonosítani az elemeket és vegyületeket.
Kvantummechanika és spektrumok
A fény energiát tartalmaz. Ha egy atomnak extra energiája van, akkor megszabadulhat tőle, ha egy kis fénycsomagot, fotont nevez ki. Ez fordítva is működik: ha egy foton olyan atom közelébe kerül, amely valamilyen extra energiát felhasználhat, akkor a fotont az atom képes elnyelni. Amikor a tudósok először elkezdték pontosan mérni a spektrumokat, az egyik dolog megzavarta őket, hogy sok spektrum nem folytonos. Vagyis amikor a nátrium elégett, spektruma nem volt egyenletes a sárga fény terjedése - ez egy pár különálló, apró sárga sáv volt. És minden más atom ugyanaz. Mintha az atomokban lévő elektronok csak nagyon szűk energiát tudnának elnyelni és kibocsájtani - és ez kiderült, hogy pontosan ez a helyzet.
Energiaszintek
Az a felfedezés, miszerint az atomok atomjai csak meghatározott energiaszinteket képesek kibocsájtani és elnyelni, a kvantummechanika területének szíve. Gondolhat erre, mintha egy elektron egyfajta létrán lenne az atomja körül. Minél magasabban van a létra, annál több energiája van - de soha nem lehet a létra lépcsője között, egy vagy másik lépcsőn kell lennie. Ezeket a lépéseket energiaszinteknek nevezzük. Tehát, ha egy elektron magas energiaszinten van, akkor megszabadulhat a többlet energiától azáltal, hogy lecsökken bármelyik alacsonyabb szintre - de sehol sem.
Hol vannak az energiaszintek?
Az atom azért marad együtt, mert a közepén lévő mag pozitív töltésű, a sípoló elektronok pedig negatív töltésűek. Az ellentétes töltések vonzzák egymást, így az elektronok hajlamosak a mag közelében maradni. De a húzás ereje attól függ, hogy hány pozitív töltés van a magban, és hány más elektronok süvítenek körülöttük, mintegy blokkolva a legkülső elektronokat abban, hogy érezzék a pozitív vonzását atommag. Tehát egy atom energiaszintje attól függ, hogy hány proton van a magban, és hány elektron kering a sejt körül. De amikor egy atomnak különböző számú protonja és elektronja van, akkor más elemmé válik.
Spektrák és elemek
Mivel minden elemnek különböző számú protonja van a magban, az egyes elemek energiaszintje egyedi. A tudósok ezeket az információkat két fő módon használhatják fel. Először is, amikor egy anyag extra energiát kap - például amikor sót teszel a lángba -, az anyagban lévő elemek sokszor fényt bocsátanak ki, amit emissziós spektrumnak neveznek. Másodszor, mikor fény utazik például egy gáz révén a gáz képes abszorbeálni a fény egy részét - ez egy abszorpciós spektrum. Az emissziós spektrumokban világos vonalak jelennek meg, amelyek megfelelnek az elemek energiaszintjének különbségének, ahol az abszorpciós spektrumban a vonalak sötétek lesznek. A vonalak mintázatával a tudósok kitalálhatják a mintában lévő elemek energiaszintjét. Mivel minden elem egyedi energiaszinttel rendelkezik, a spektrumok segíthetnek a mintában található elemek azonosításában.