W XIX i na początku XX wieku naukowcy dysponowali narzędziami do wykonywania dość wyrafinowanych pomiarów światła. Na przykład mogą przepuszczać światło przez pryzmat lub odbijać je od kraty i rozszczepiać światło padające na wszystkie jego kolory. Skończyliby z obrazem intensywności źródła światła we wszystkich różnych kolorach. Ten rozrzut kolorów nazywa się widmem, a naukowcy badający te widma byli nieco zdezorientowani rozrzutem kolorów, które widzieli. Pierwsze dziesięciolecia XX wieku przyniosły duży skok w zrozumieniu. Naukowcy rozumieją teraz, w jaki sposób można wykorzystać spektroskopię do identyfikacji pierwiastków i związków.
Mechanika kwantowa i widma
Światło zawiera energię. Jeśli atom ma dodatkową energię, może się jej pozbyć wysyłając małą paczkę światła, zwaną fotonem. Działa to również w drugą stronę: jeśli foton zbliży się do atomu, który mógłby wykorzystać dodatkową energię, foton może zostać pochłonięty przez atom. Kiedy naukowcy po raz pierwszy zaczęli dokładnie mierzyć widma, jedną z rzeczy, które ich myliły, było to, że wiele widm było nieciągłych. To znaczy, kiedy sód był spalany, jego widmo nie było gładkim rozchodzeniem się żółtego światła - było to kilka wyraźnych, maleńkich pasm żółtego. I każdy inny atom jest taki sam. To tak, jakby elektrony w atomach mogły absorbować i emitować tylko bardzo wąski zakres energii – i tak właśnie się stało.
Poziomy energii
Odkrycie, że elektrony w atomie mogą emitować i pochłaniać tylko określone poziomy energii, jest sercem dziedziny mechaniki kwantowej. Możesz myśleć o tym tak, jakby elektron był na pewnego rodzaju drabinie wokół jądra atomu. Im wyżej na drabinie, tym więcej ma energii, ale nigdy nie może być między stopniami drabiny, musi być na jednym lub drugim stopniu. Te kroki nazywane są poziomami energii. Tak więc, jeśli elektron jest na wysokim poziomie energetycznym, może pozbyć się dodatkowej energii, schodząc na którykolwiek z niższych poziomów - ale nigdzie pomiędzy.
Gdzie są poziomy energetyczne?
Atom pozostaje razem, ponieważ jądro w jego centrum jest naładowane dodatnio, a śmigające elektrony są naładowane ujemnie. Przeciwne ładunki przyciągają się, więc elektrony mają tendencję do pozostawania blisko jądra. Ale siła przyciągania zależy od tego, ile dodatnich ładunków znajduje się w jądrze, a ile innych elektrony wirują, blokując najbardziej zewnętrzne elektrony przed odczuwaniem przyciągania pozytywu jądro. Tak więc poziomy energii w atomie zależą od tego, ile protonów znajduje się w jądrze i ile elektronów krąży wokół jądra. Ale gdy atom ma inną liczbę protonów i elektronów, staje się innym pierwiastkiem.
Widma i pierwiastki
Ponieważ każdy pierwiastek ma inną liczbę protonów w jądrze, poziom energii każdego pierwiastka jest unikalny. Naukowcy mogą wykorzystać te informacje na dwa główne sposoby. Po pierwsze, gdy substancja otrzymuje dodatkową energię – na przykład po wrzuceniu soli do płomienia – elementy substancji często pozbywają się tej energii, emitując światło, zwane widmem emisyjnym. Po drugie, kiedy lekkie podróże przez gaz, na przykład, gaz może wchłonąć część tego światła -- to jest widmo absorpcji. W widmach emisyjnych pojawią się jasne linie odpowiadające różnicy poziomów energii pierwiastków, podczas gdy w widmie absorpcyjnym linie będą ciemne. Patrząc na wzór linii, naukowcy mogą określić poziomy energii pierwiastków w próbce. Ponieważ każdy pierwiastek ma unikalny poziom energii, widma mogą pomóc w identyfikacji pierwiastków w próbce.