1800. gados un 1900. gadu sākumā zinātniekiem bija instrumenti, lai veiktu diezgan sarežģītus gaismas mērījumus. Piemēram, viņi varēja ievietot gaismu caur prizmu vai atlekt no režģa un sadalīt ienākošo gaismu visās tās krāsās. Viņi iegūtu attēlu ar gaismas avota intensitāti visās dažādās krāsās. Šo krāsu izplatību sauc par spektru, un zinātniekus, kuri pārbaudīja šos spektrus, mazliet sajauca redzamā krāsu izplatība. 1900. gadu pirmajās desmitgadēs notika liels izpratnes lēciens. Tagad zinātnieki saprot, kā ar spektroskopiju var identificēt elementus un savienojumus.
Kvantu mehānika un spektri
Gaisma satur enerģiju. Ja atomam ir papildu enerģija, tas no tā var atbrīvoties, izsūtot nelielu gaismas paketi, ko sauc par fotonu. Tas darbojas arī otrādi: ja fotons tuvojas atomam, kas varētu izmantot kādu papildu enerģiju, atoms var absorbēt fotonu. Kad zinātnieki pirmo reizi sāka precīzi mērīt spektrus, viena no lietām, kas viņus mulsināja, bija tā, ka daudzi spektri bija pārtraukumi. Tas ir, kad nātrijs tika sadedzināts, tā spektrs nebija vienmērīgs dzeltenās gaismas izplatīšanās - tas bija pāris atšķirīgas, niecīgas dzeltenās joslas. Un visi citi atomi ir vienādi. It kā elektroni atomos varētu absorbēt un izstarot tikai ļoti šauru enerģiju diapazonu - un tas izrādījās tieši tā.
Enerģijas līmeņi
Atklājums, ka elektroni atomā var izstarot un absorbēt tikai noteiktus enerģijas līmeņus, ir kvantu mehānikas lauka sirds. Jūs varat domāt par to tā, it kā elektrons atrastos uz sava veida kāpnēm ap tā atoma kodolu. Jo augstāk uz kāpnēm, jo vairāk enerģijas tam ir - bet tas nekad nevar būt starp kāpņu pakāpieniem, tam jābūt uz viena vai otra pakāpiena. Šos soļus sauc par enerģijas līmeņiem. Tātad, ja elektrons atrodas augstā enerģijas līmenī, tas var atbrīvoties no papildu enerģijas, nokrītot uz jebkuru no zemākajiem līmeņiem, bet ne pa vidu.
Kur ir enerģijas līmeņi?
Atoms paliek kopā, jo kodols tā centrā ir pozitīvi uzlādēts un svilpojošie elektroni ir negatīvi lādēti. Pretēji lādiņi piesaista viens otru, tāpēc elektroni mēdz palikt tuvu kodolam. Bet vilces spēks ir atkarīgs no tā, cik pozitīvo lādiņu ir kodolā, un no tā, cik daudz citu apkārt virmo elektroni, kas kaut kā bloķē attālākos elektronus no pozitīvā spēka izjūtas kodols. Tātad enerģijas līmeņi atomā ir atkarīgi no tā, cik protonu ir kodolā un cik daudz elektronu riņķo ap kodolu. Bet, kad atomam ir atšķirīgs protonu un elektronu skaits, tas kļūst par citu elementu.
Spektri un elementi
Tā kā katram elementam kodolā ir atšķirīgs protonu skaits, katra elementa enerģijas līmenis ir unikāls. Zinātnieki var izmantot šo informāciju divos galvenajos veidos. Pirmkārt, kad viela iegūst papildu enerģiju - piemēram, kad jūs ievietojat sāli liesmā - vielas elementi bieži atbrīvojas no šīs enerģijas, izstarojot gaismu, ko sauc par emisijas spektru. Otrkārt, kad gaismas ceļojumi caur gāzi, piemēram, gāze var absorbēt daļu no šīs gaismas - tas ir absorbcijas spektrs. Emisijas spektros parādīsies spilgtas līnijas, kas atbilst starpībai starp elementu enerģijas līmeni, kur absorbcijas spektrā līnijas būs tumšas. Apskatot līniju modeli, zinātnieki var noskaidrot paraugā esošo elementu enerģijas līmeni. Tā kā katram elementam ir unikāls enerģijas līmenis, spektri var palīdzēt identificēt elementus paraugā.