Bagaimana Spektroskopi Membantu Mengidentifikasi Elemen?

Sepanjang tahun 1800-an dan awal 1900-an para ilmuwan memiliki alat untuk melakukan pengukuran cahaya yang cukup canggih. Misalnya, mereka dapat menempatkan cahaya melalui prisma atau memantulkannya dari kisi dan membagi cahaya yang masuk menjadi semua warnanya. Mereka akan berakhir dengan gambar intensitas sumber cahaya di semua warna yang berbeda. Penyebaran warna itu disebut spektrum, dan para ilmuwan yang meneliti spektrum itu agak bingung dengan penyebaran warna yang mereka lihat. Dekade pertama tahun 1900-an melihat lompatan besar dalam pemahaman. Para ilmuwan sekarang memahami bagaimana spektroskopi dapat digunakan untuk mengidentifikasi unsur dan senyawa.

Cahaya mengandung energi. Jika sebuah atom memiliki energi ekstra, ia dapat membuangnya dengan mengirimkan paket kecil cahaya, yang disebut foton. Ini juga bekerja sebaliknya: jika foton mendekati atom yang dapat menggunakan energi ekstra, foton dapat diserap oleh atom. Ketika para ilmuwan pertama kali mulai mengukur spektrum secara akurat, salah satu hal yang membingungkan mereka adalah banyak spektrum yang terputus-putus. Artinya, ketika natrium dibakar, spektrumnya bukanlah penyebaran cahaya kuning yang mulus -- itu adalah beberapa pita kuning kecil yang berbeda. Dan setiap atom lainnya adalah dengan cara yang sama. Seolah-olah elektron dalam atom hanya dapat menyerap dan memancarkan energi dalam rentang yang sangat sempit -- dan ternyata memang demikian.

Penemuan bahwa elektron dalam sebuah atom hanya dapat memancarkan dan menyerap tingkat energi tertentu adalah inti dari bidang mekanika kuantum. Anda dapat menganggap ini seolah-olah sebuah elektron berada pada semacam tangga di sekitar inti atomnya. Semakin tinggi tangga, semakin banyak energi yang dimilikinya -- tetapi ia tidak pernah bisa berada di antara anak tangga, ia harus berada di satu anak tangga atau lainnya. Langkah-langkah itu disebut tingkat energi. Jadi, jika sebuah elektron berada dalam tingkat energi yang tinggi, ia dapat membuang energi ekstra dengan turun ke tingkat yang lebih rendah -- tetapi tidak di antara keduanya.

Sebuah atom tetap bersama karena inti di pusatnya bermuatan positif dan elektron yang mendesing bermuatan negatif. Muatan yang berlawanan menarik satu sama lain, sehingga elektron akan cenderung tetap dekat dengan nukleus. Tetapi kekuatan tarikan tergantung pada berapa banyak muatan positif di dalam inti, dan pada berapa banyak lainnya elektron mendesing di sekitar, semacam menghalangi elektron terluar dari merasakan tarikan positif inti. Jadi tingkat energi dalam atom tergantung pada berapa banyak proton dalam inti dan berapa banyak elektron yang mengorbit inti. Tetapi ketika sebuah atom memiliki jumlah proton dan elektron yang berbeda, ia menjadi elemen yang berbeda.

Karena setiap elemen memiliki jumlah proton yang berbeda di dalam inti, tingkat energi setiap elemen adalah unik. Para ilmuwan dapat menggunakan informasi ini dalam dua cara utama. Pertama, ketika suatu zat mendapat energi ekstra -- seperti ketika Anda memasukkan garam ke dalam nyala api -- unsur-unsur dalam zat tersebut akan sering membuang energi itu dengan memancarkan cahaya, yang disebut spektrum emisi. Kedua, kapan perjalanan ringan melalui gas, misalnya, gas dapat menyerap sebagian cahaya itu -- itulah spektrum absorpsi. Pada spektrum emisi, akan muncul garis-garis terang sesuai dengan perbedaan tingkat energi unsur-unsur, dimana dalam spektrum serapan, garis-garis tersebut akan menjadi gelap. Dengan melihat pola garis, para ilmuwan dapat mengetahui tingkat energi unsur-unsur dalam sampel. Karena setiap elemen memiliki tingkat energi yang unik, spektrum dapat membantu mengidentifikasi elemen dalam sampel.