Ao longo de 1800 e início de 1900, os cientistas tinham as ferramentas para fazer algumas medições bastante sofisticadas da luz. Por exemplo, eles poderiam colocar luz através de um prisma ou refleti-la em uma grade e dividir a luz que entra em todas as suas cores. Eles acabariam com uma imagem da intensidade da fonte de luz em todas as cores diferentes. Essa difusão de cores é chamada de espectro, e os cientistas que examinaram esses espectros ficaram um pouco confusos com a difusão de cores que viram. As primeiras décadas de 1900 testemunharam um grande salto no entendimento. Os cientistas agora entendem como a espectroscopia pode ser usada para identificar elementos e compostos.
Mecânica Quântica e Espectros
A luz contém energia. Se um átomo tiver energia extra, ele pode se livrar dela enviando um pequeno pacote de luz, chamado fóton. Também funciona ao contrário: se um fóton se aproximar de um átomo que poderia usar alguma energia extra, o fóton pode ser absorvido pelo átomo. Quando os cientistas começaram a medir espectros com precisão, uma das coisas que os confundiu foi que muitos espectros eram descontínuos. Ou seja, quando o sódio foi queimado, seu espectro não era uma propagação uniforme de luz amarela - eram duas faixas distintas e minúsculas de amarelo. E todos os outros átomos são da mesma maneira. É como se os elétrons nos átomos pudessem apenas absorver e emitir uma faixa muito estreita de energias - e isso acabou sendo exatamente o caso.
Níveis de energia
A descoberta de que os elétrons em um átomo só podem emitir e absorver níveis específicos de energia é o cerne do campo da mecânica quântica. Você pode pensar nisso como se um elétron estivesse em uma espécie de escada ao redor do núcleo de seu átomo. Quanto mais alto na escada, mais energia ela tem - mas nunca pode estar entre os degraus da escada, tem que estar em um degrau ou outro. Essas etapas são chamadas de níveis de energia. Portanto, se um elétron está em um nível de energia alto, ele pode se livrar da energia extra caindo para qualquer um dos níveis mais baixos - mas não em qualquer lugar entre eles.
Onde estão os níveis de energia?
Um átomo permanece junto porque o núcleo em seu centro tem carga positiva e os elétrons em movimento são carregados negativamente. Cargas opostas se atraem, então os elétrons tenderiam a ficar próximos ao núcleo. Mas a força da atração depende de quantas cargas positivas estão no núcleo e de quantas outras elétrons estão girando, meio que bloqueando os elétrons mais externos de sentir a atração do positivo núcleo. Portanto, os níveis de energia em um átomo dependem de quantos prótons estão no núcleo e de quantos elétrons estão orbitando o núcleo. Mas quando um átomo tem um número diferente de prótons e elétrons, ele se torna um elemento diferente.
Spectra and Elements
Como cada elemento possui um número diferente de prótons no núcleo, o nível de energia de cada elemento é único. Os cientistas podem usar essas informações de duas maneiras principais. Em primeiro lugar, quando uma substância obtém energia extra - como quando você coloca sal em uma chama - os elementos na substância geralmente se livram dessa energia emitindo luz, chamada de espectro de emissão. Segundo, quando viagens leves através de um gás, por exemplo, o gás pode absorver parte dessa luz - esse é um espectro de absorção. Nos espectros de emissão, linhas brilhantes aparecerão correspondendo à diferença entre os níveis de energia dos elementos, enquanto em um espectro de absorção, as linhas serão escuras. Observando o padrão das linhas, os cientistas podem descobrir os níveis de energia dos elementos da amostra. Uma vez que cada elemento tem níveis de energia exclusivos, os espectros podem ajudar a identificar os elementos em uma amostra.