Gedurende de jaren 1800 en vroege jaren 1900 hadden wetenschappers de tools om behoorlijk geavanceerde metingen aan licht te doen. Ze zouden bijvoorbeeld licht door een prisma kunnen laten schijnen of het tegen een rooster kunnen laten weerkaatsen en het invallende licht in al zijn kleuren kunnen splitsen. Ze zouden eindigen met een foto van de intensiteit van de lichtbron in alle verschillende kleuren. Die verspreiding van kleuren wordt een spectrum genoemd, en de wetenschappers die die spectra onderzochten, waren een beetje in de war door de verspreiding van kleuren die ze zagen. De eerste decennia van de jaren 1900 zagen een grote sprong in begrip. Wetenschappers begrijpen nu hoe spectroscopie kan worden gebruikt om elementen en verbindingen te identificeren.
Kwantummechanica en spectra
Licht bevat energie. Als een atoom extra energie heeft, kan het die kwijt door een klein pakketje licht uit te zenden, een foton genaamd. Andersom werkt het ook: als een foton in de buurt komt van een atoom dat wel wat extra energie kan gebruiken, kan het foton door het atoom worden opgenomen. Toen wetenschappers voor het eerst spectra nauwkeurig begonnen te meten, was een van de dingen die hen in de war brachten, dat veel spectra discontinu waren. Dat wil zeggen, toen natrium werd verbrand, was het spectrum geen gelijkmatige verspreiding van geel licht - het waren een paar duidelijke, kleine gele banden. En elk ander atoom is op dezelfde manier. Het is alsof de elektronen in de atomen slechts een zeer smal bereik van energieën kunnen absorberen en uitzenden -- en dat bleek precies het geval te zijn.
Energie niveau
De ontdekking dat elektronen in een atoom alleen bepaalde energieniveaus kunnen uitzenden en absorberen, vormt de kern van het vakgebied van de kwantummechanica. Je kunt dit zien alsof een elektron zich op een soort ladder rond de kern van zijn atoom bevindt. Hoe hoger op de ladder, hoe meer energie het heeft - maar het kan nooit tussen de treden van de ladder zijn, het moet op een of andere trede zijn. Die stappen worden energieniveaus genoemd. Dus als een elektron zich op een hoog energieniveau bevindt, kan het extra energie kwijtraken door naar een van de lagere niveaus te zakken -- maar niet ergens daartussenin.
Waar zijn de energieniveaus?
Een atoom blijft bij elkaar omdat de kern in het centrum positief geladen is en de zoevende elektronen negatief geladen zijn. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, dus de elektronen zouden de neiging hebben om dicht bij de kern te blijven. Maar de kracht van de aantrekkingskracht hangt af van hoeveel positieve ladingen er in de kern zijn, en van hoeveel andere elektronen suizen rond, een soort van blokkering van de buitenste elektronen om de aantrekkingskracht van het positieve te voelen kern. Dus de energieniveaus in een atoom hangen af van hoeveel protonen zich in de kern bevinden en hoeveel elektronen er rond de kern draaien. Maar wanneer een atoom een ander aantal protonen en elektronen heeft, wordt het een ander element.
Spectra en elementen
Omdat elk element een ander aantal protonen in de kern heeft, is het energieniveau van elk element uniek. Wetenschappers kunnen deze informatie op twee manieren gebruiken. Ten eerste, wanneer een stof extra energie krijgt - zoals wanneer je zout in een vlam doet - zullen de elementen in de stof die energie vaak kwijtraken door licht uit te zenden, een emissiespectrum genaamd. Ten tweede, wanneer? lichte reizen door een gas, bijvoorbeeld, kan het gas een deel van dat licht absorberen -- dat is een absorptiespectrum. In emissiespectra zullen heldere lijnen verschijnen die overeenkomen met het verschil tussen energieniveaus van de elementen, terwijl in een absorptiespectrum de lijnen donker zullen zijn. Door naar het lijnenpatroon te kijken, kunnen wetenschappers de energieniveaus van de elementen in het monster achterhalen. Omdat elk element unieke energieniveaus heeft, kunnen de spectra helpen bij het identificeren van elementen in een monster.