כיצד מסייעת ספקטרוסקופיה בזיהוי אלמנטים?

לאורך כל המאה ה -19 ותחילת המאה ה -20 היו למדענים הכלים לבצע מדידות די מתוחכמות על האור. לדוגמא, הם יכלו להכניס אור דרך מנסרה או להקפיץ אותו מגרה ולפצל אור נכנס לכל צבעיו. הם היו מקבלים תמונה של עוצמת מקור האור בכל הצבעים השונים. התפשטות הצבעים הזו נקראת ספקטרום, והמדענים שבחנו את הספקטרום הללו התבלבלו מעט מפיזור הצבעים שראו. בעשורים הראשונים של שנות העשרים של המאה העשרים נרשמה קפיצה גדולה בהבנה. מדענים מבינים כעת כיצד ניתן להשתמש בספקטרוסקופיה לזיהוי יסודות ותרכובות.

האור מכיל אנרגיה. אם לאטום יש אנרגיה נוספת, הוא יכול להיפטר ממנו על ידי שליחת חבילת אור קטנה, הנקראת פוטון. זה עובד גם הפוך: אם פוטון מתקרב לאטום שיכול להשתמש באנרגיה נוספת, הפוטון יכול להיקלט באטום. כאשר מדענים התחילו לראשונה למדוד ספקטרום במדויק, אחד הדברים שבלבלו אותם היה שספקטרום רבים לא היו רציפים. כלומר, כשנשרף נתרן, הספקטרום שלו לא היה התפשטות חלקה של אור צהוב - זה היה כמה להקות זעירות ונפרדות של צהוב. וכל אטום אחר הוא אותו הדבר. זה כאילו שהאלקטרונים באטומים יכלו רק לקלוט ולפלוט טווח צר מאוד של אנרגיות - וזה התברר שזה בדיוק המקרה.

הגילוי כי אלקטרונים באטום יכולים רק לפלוט ולקלוט רמות אנרגיה ספציפיות הוא לב השדה של מכניקת הקוונטים. אתה יכול לחשוב על זה כאילו אלקטרון נמצא על סוג של סולם סביב גרעין האטום שלו. ככל שהסולם גבוה יותר, כך יש לו יותר אנרגיה - אבל זה אף פעם לא יכול להיות בין מדרגות הסולם, הוא צריך להיות במדרגה כזו או אחרת. צעדים אלה נקראים רמות אנרגיה. לכן, אם אלקטרון נמצא ברמת אנרגיה גבוהה הוא יכול להיפטר מאנרגיה נוספת על ידי צניחה לאחת מהרמות הנמוכות יותר - אך לא לשום מקום בין לבין.

אטום נשאר ביחד מכיוון שהגרעין שבמרכזו טעון חיובי והאלקטרונים המסתחררים טעונים שלילית. מטענים מנוגדים מושכים זה את זה, ולכן האלקטרונים נוטים להישאר קרוב לגרעין. אבל כוח המשיכה תלוי בכמה מטענים חיוביים בגרעין, ובכמה אחרים אלקטרונים מסתובבים סביב, סוג של חוסם את האלקטרונים החיצוניים ביותר להרגיש את משיכתם של החיובי גַרעִין. אז רמות האנרגיה באטום תלויות כמה פרוטונים נמצאים בגרעין וכמה אלקטרונים מקיפים את הגרעין. אך כאשר לאטום יש מספר שונה של פרוטונים ואלקטרונים הוא הופך לאלמנט אחר.

מכיוון שלכל יסוד יש מספר שונה של פרוטונים בגרעין, רמת האנרגיה של כל יסוד היא ייחודית. מדענים יכולים להשתמש במידע זה בשתי דרכים עיקריות. ראשית, כאשר חומר מקבל אנרגיה נוספת - כמו למשל כשאתה מכניס מלח ללהבה - לעתים קרובות היסודות בחומר ייפטרו מאותה אנרגיה על ידי פליטת אור, הנקרא ספקטרום פליטה. שנית, מתי נסיעות קלות דרך גז, למשל, הגז יכול לקלוט חלק מהאור הזה - זה ספקטרום קליטה. בספקטרום פליטה יופיעו קווים בהירים המתאימים להבדל בין רמות האנרגיה של היסודות, כאשר בספקטרום הקליטה הקווים יהיו כהים. על ידי התבוננות בתבנית הקווים, מדענים יכולים להבין את רמות האנרגיה של היסודות במדגם. מכיוון שלכל יסוד יש רמות אנרגיה ייחודיות, הספקטרום יכול לעזור בזיהוי אלמנטים במדגם.