Hvordan hjelper spektroskopi med å identifisere elementer?

Gjennom 1800- og begynnelsen av 1900-tallet hadde forskerne verktøyene til å gjøre noen ganske sofistikerte målinger på lys. For eksempel kunne de sette lys gjennom et prisme eller sprette det av et gitter og dele innkommende lys i alle fargene. De ville ende opp med et bilde av lyskildens intensitet i alle forskjellige farger. Den fargespredningen kalles et spektrum, og forskerne som undersøkte disse spektrene ble litt forvirret av fargespredningen de så. De første tiårene på 1900-tallet så et stort sprang i forståelsen. Forskere forstår nå hvordan spektroskopi kan brukes til å identifisere grunnstoffer og forbindelser.

Lys inneholder energi. Hvis et atom har ekstra energi, kan det bli kvitt det ved å sende ut en liten pakke med lys, kalt foton. Det fungerer også omvendt: Hvis et foton kommer i nærheten av et atom som kan bruke litt ekstra energi, kan fotonet absorberes av atomet. Da forskere først begynte å måle spektre nøyaktig, var en av tingene som forvirret dem at mange spektre var diskontinuerlige. Det vil si at når natrium ble brent, var spekteret ikke en jevn spredning av gult lys - det var et par forskjellige, små bånd av gult. Og hvert annet atom er på samme måte. Det er som om elektronene i atomene bare kunne absorbere og avgi et veldig smalt område av energier - og det viste seg å være nøyaktig tilfelle.

Oppdagelsen av at elektroner i et atom bare kan avgi og absorbere spesifikke energinivåer er hjertet i kvantemekanikkens felt. Du kan tenke på dette som om et elektron befinner seg på en slags stige rundt atomkjernen. Jo høyere på stigen, jo mer energi har den - men den kan aldri være mellom trinnene på stigen, den må være på ett eller annet trinn. Disse trinnene kalles energinivåer. Så hvis et elektron har et høyt energinivå, kan det kvitte seg med ekstra energi ved å falle ned til et av de lavere nivåene - men ikke hvor som helst i mellom.

Et atom holder seg sammen fordi kjernen i sentrum er positivt ladet og de susende elektronene er negativt ladede. Motsatte ladninger tiltrekker hverandre, slik at elektronene pleier å holde seg nær kjernen. Men styrken til trekk avhenger av hvor mange positive ladninger som er i kjernen, og av hvor mange andre elektroner suser rundt, noe som blokkerer de ytterste elektronene fra å føle det positive fra det positive cellekjernen. Så energinivået i et atom avhenger av hvor mange protoner som er i kjernen og hvor mange elektroner som kretser rundt kjernen. Men når et atom har et annet antall protoner og elektroner, blir det et annet element.

Fordi hvert element har et annet antall protoner i kjernen, er energinivået til hvert element unikt. Forskere kan bruke denne informasjonen på to måter. For det første, når et stoff får ekstra energi - for eksempel når du putter salt i en flamme - blir elementene i stoffet ofte kvitt den energien ved å avgi lys, kalt et utslippsspektrum. For det andre, når lys reiser gjennom en gass, for eksempel, kan gassen absorbere noe av det lyset - det er et absorpsjonsspektrum. I utslippsspektre vil lyse linjer dukke opp som tilsvarer forskjellen mellom energinivåene til elementene, hvor linjene i et absorpsjonsspekter vil være mørke. Ved å se på linjemønsteret kan forskere finne ut energinivået til elementene i prøven. Siden hvert element har unike energinivåer, kan spektrene hjelpe til med å identifisere elementer i en prøve.