分光法は元素の特定にどのように役立ちますか？

1800年代から1900年代初頭にかけて、科学者たちは光についてかなり洗練された測定を行うためのツールを持っていました。 たとえば、プリズムに光を当てたり、グレーティングで反射させたりして、入ってくる光をすべての色に分割することができます。 それらは、すべての異なる色での光源の強度の画像になってしまいます。 その色の広がりはスペクトルと呼ばれ、それらのスペクトルを調べた科学者たちは、彼らが見た色の広がりに少し混乱していました。 1900年代の最初の数十年は、理解に大きな飛躍が見られました。 科学者たちは、分光法を使用して元素や化合物を特定する方法を理解しています。

光にはエネルギーが含まれています。 原子に余分なエネルギーがある場合は、光子と呼ばれる小さな光のパケットを送信することで、原子を取り除くことができます。 また、逆の方法でも機能します。光子が、余分なエネルギーを使用する可能性のある原子に近づくと、光子は原子に吸収される可能性があります。 科学者が最初にスペクトルを正確に測定し始めたとき、彼らを混乱させたものの1つは、多くのスペクトルが不連続であったことでした。 つまり、ナトリウムが燃焼したとき、そのスペクトルは黄色の光の滑らかな広がりではありませんでした-それは黄色のいくつかの明確な小さなバンドでした。 そして、他のすべての原子は同じ方法です。 それはまるで原子の中の電子が非常に狭い範囲のエネルギーしか吸収および放出できないかのようです-そしてそれはまさにその通りであることが判明しました。

原子内の電子が特定のエネルギーレベルしか放出および吸収できないという発見は、量子力学の分野の中心です。 これは、電子がその原子核の周りの一種のはしごの上にあるかのように考えることができます。 はしごの高さが高いほど、より多くのエネルギーがありますが、はしごのステップの間にあることは決してありません。いずれかのステップにある必要があります。 これらのステップはエネルギーレベルと呼ばれます。 したがって、電子が高エネルギーレベルにある場合、それはより低いレベルのいずれかにドロップダウンすることによって余分なエネルギーを取り除くことができますが、その間のどこにもありません。

原子の中心にある原子核は正に帯電しており、渦巻く電子は負に帯電しているため、原子は一緒にとどまります。 反対の電荷は互いに引き付け合うので、電子は原子核の近くにとどまる傾向があります。 しかし、引きの強さは、原子核にある正電荷の数と、他の電荷の数によって異なります。 電子がぐるぐる回っていて、最も外側の電子が正の引っ張りを感じるのをブロックしているようなものです 核。 したがって、原子のエネルギー準位は、原子核内にある陽子の数と、原子核を周回している電子の数に依存します。 しかし、原子が異なる数の陽子と電子を持っているとき、それは異なる元素になります。

各元素は原子核内の陽子の数が異なるため、各元素のエネルギーレベルは一意です。 科学者はこの情報を2つの主な方法で使用できます。 まず、物質が余分なエネルギーを得るとき（炎に塩を入れるときなど）、物質の要素は、発光スペクトルと呼ばれる光を放出することによってそのエネルギーを取り除くことがよくあります。 第二に、 光の旅 たとえば、ガスを介して、ガスはその光の一部を吸収することができます。これが吸収スペクトルです。 発光スペクトルでは、元素のエネルギー準位の差に対応して明るい線が表示されますが、吸収スペクトルでは、線は暗くなります。 科学者は線のパターンを見ることで、サンプル中の元素のエネルギーレベルを把握できます。 すべての元素には固有のエネルギーレベルがあるため、スペクトルはサンプル内の元素の識別に役立ちます。