1800-aisiais ir 1900-ųjų pradžioje mokslininkai turėjo įrankių atlikti gana sudėtingus šviesos matavimus. Pavyzdžiui, jie galėjo įdėti šviesą per prizmę arba atšokti ją nuo grotelių ir padalyti įeinančią šviesą į visas jos spalvas. Jie gautų šviesos šaltinio intensyvumo paveikslėlį visomis skirtingomis spalvomis. Tas spalvų plitimas vadinamas spektru, o tuos spektrus ištyrusius mokslininkus šiek tiek sujaukė matytas spalvų plitimas. Pirmaisiais 1900-ųjų dešimtmečiais įvyko didelis supratimo šuolis. Mokslininkai dabar supranta, kaip spektroskopija gali būti naudojama elementams ir junginiams identifikuoti.
Kvantinė mechanika ir spektrai
Šviesoje yra energijos. Jei atomas turi papildomos energijos, jis gali jos atsikratyti išsiųsdamas nedidelį šviesos paketą, vadinamą fotonu. Tai veikia ir atvirkščiai: jei fotonas priartėja prie atomo, kuris galėtų panaudoti tam tikrą papildomą energiją, fotoną atomas gali absorbuoti. Kai mokslininkai pirmą kartą pradėjo tiksliai matuoti spektrus, vienas iš juos supainiojusių dalykų buvo tai, kad daugelis spektrų buvo pertraukiami. Tai yra, kai deginant natris, jo spektras nebuvo sklandus geltonos šviesos sklidimas - tai buvo pora skirtingų, mažų geltonos spalvos juostų. Ir kiekvienas kitas atomas yra tas pats. Tarsi elektronai atomuose galėtų absorbuoti ir skleisti tik labai siaurą energijų diapazoną - ir tai pasirodė būtent taip.
Energijos lygiai
Atradimas, kad elektronai atome gali skleisti ir sugerti tik tam tikrus energijos lygius, yra kvantinės mechanikos lauko širdis. Galite galvoti apie tai, tarsi elektronas būtų tam tikrose kopėčiose aplink savo atomo branduolį. Kuo aukščiau ant kopėčių, tuo daugiau energijos ji turi - bet ji niekada negali būti tarp kopėčių laiptelių, ji turi būti ant vieno ar kito laiptelio. Tie žingsniai vadinami energijos lygiais. Taigi, jei elektrone yra aukštas energijos lygis, jis gali atsikratyti papildomos energijos nukritęs į bet kurį iš žemesnių lygių, bet ne bet kur tarp jų.
Kur yra energijos lygiai?
Atomas lieka kartu, nes jo centre esantis branduolys yra teigiamai įkrautas, o švilpiantys elektronai - neigiamai. Priešingi krūviai traukia vienas kitą, todėl elektronai būtų linkę likti arti branduolio. Tačiau traukos stiprumas priklauso nuo to, kiek teigiamų krūvių yra branduolyje, ir nuo to, kiek kitų elektronai švilpia aplink, tarsi blokuodami tolimiausius elektronus, kad jie nepajustų teigiamo potraukio branduolys. Taigi energijos lygiai atome priklauso nuo to, kiek protonų yra branduolyje ir kiek elektronų skrieja aplink branduolį. Bet kai atomas turi skirtingą protonų ir elektronų skaičių, jis tampa skirtingu elementu.
Spektrai ir elementai
Kadangi kiekvieno elemento branduolyje yra skirtingas protonų skaičius, kiekvieno elemento energijos lygis yra unikalus. Mokslininkai gali naudoti šią informaciją dviem pagrindiniais būdais. Pirma, kai medžiaga gauna papildomos energijos, pavyzdžiui, kai į liepsną įdedate druskos, medžiagos elementai dažnai atsikratys energijos skleisdami šviesą, vadinamą emisijos spektru. Antra, kada šviesos keliauja pavyzdžiui, dujos gali absorbuoti dalį tos šviesos - tai absorbcijos spektras. Emisijos spektruose bus rodomos ryškios linijos, atitinkančios elementų energijos lygių skirtumą, kur absorbcijos spektre linijos bus tamsios. Pažvelgę į linijų modelį, mokslininkai gali išsiaiškinti mėginyje esančių elementų energijos lygius. Kadangi kiekvienas elementas turi unikalius energijos lygius, spektrai gali padėti identifikuoti elementus.