Per tutto il 1800 e l'inizio del 1900 gli scienziati avevano gli strumenti per effettuare misurazioni piuttosto sofisticate sulla luce. Ad esempio, potrebbero far passare la luce attraverso un prisma o farla rimbalzare su un reticolo e dividere la luce in entrata in tutti i suoi colori. Finirebbero con un'immagine dell'intensità della sorgente luminosa in tutti i diversi colori. Quella diffusione dei colori è chiamata spettro e gli scienziati che hanno esaminato quegli spettri erano un po' confusi dalla diffusione dei colori che vedevano. I primi decenni del 1900 hanno visto un grande salto di comprensione. Gli scienziati ora capiscono come la spettroscopia può essere utilizzata per identificare elementi e composti.
Meccanica quantistica e spettri
La luce contiene energia. Se un atomo ha energia extra, può liberarsene inviando un piccolo pacchetto di luce, chiamato fotone. Funziona anche al contrario: se un fotone si avvicina a un atomo che potrebbe utilizzare dell'energia extra, il fotone può essere assorbito dall'atomo. Quando gli scienziati hanno iniziato a misurare accuratamente gli spettri, una delle cose che li ha confusi era che molti spettri erano discontinui. Cioè, quando il sodio è stato bruciato, il suo spettro non era una diffusione uniforme di luce gialla - era un paio di bande distinte e minuscole di giallo. E ogni altro atomo è allo stesso modo. È come se gli elettroni negli atomi potessero assorbire ed emettere solo una gamma molto ristretta di energie -- e si è rivelato essere esattamente così.
Livelli di energia
La scoperta che gli elettroni in un atomo possono emettere e assorbire solo specifici livelli di energia è il cuore del campo della meccanica quantistica. Puoi pensare a questo come se un elettrone fosse su una specie di scala attorno al nucleo del suo atomo. Più in alto sulla scala, più energia ha, ma non può mai essere tra i gradini della scala, deve essere su un gradino o sull'altro. Questi passaggi sono chiamati livelli di energia. Quindi, se un elettrone si trova a un livello energetico elevato, può liberarsi dell'energia extra scendendo a uno dei livelli inferiori, ma non in una via di mezzo.
Dove sono i livelli energetici?
Un atomo rimane insieme perché il nucleo al suo centro è caricato positivamente e gli elettroni sibilanti sono caricati negativamente. Le cariche opposte si attraggono, quindi gli elettroni tenderebbero a rimanere vicini al nucleo. Ma la forza della trazione dipende da quante cariche positive ci sono nel nucleo e da quante altre gli elettroni sfrecciano intorno, impedendo agli elettroni più esterni di sentire l'attrazione del positivo nucleo. Quindi i livelli di energia in un atomo dipendono da quanti protoni ci sono nel nucleo e da quanti elettroni orbitano attorno al nucleo. Ma quando un atomo ha un numero diverso di protoni ed elettroni diventa un elemento diverso.
Spettri ed elementi
Poiché ogni elemento ha un diverso numero di protoni nel nucleo, il livello di energia di ciascun elemento è unico. Gli scienziati possono utilizzare queste informazioni in due modi principali. Primo, quando una sostanza riceve energia extra, come quando metti il sale in una fiamma, gli elementi nella sostanza spesso si liberano di quell'energia emettendo luce, chiamata spettro di emissione. Secondo, quando viaggi leggeri attraverso un gas, per esempio, il gas può assorbire parte di quella luce: questo è uno spettro di assorbimento. Negli spettri di emissione appariranno righe luminose corrispondenti alla differenza tra i livelli energetici degli elementi, mentre in uno spettro di assorbimento le righe saranno scure. Osservando lo schema delle linee, gli scienziati possono capire i livelli di energia degli elementi nel campione. Poiché ogni elemento ha livelli di energia unici, gli spettri possono aiutare a identificare gli elementi in un campione.