De-a lungul anilor 1800 și începutul anilor 1900 oamenii de știință au avut instrumentele necesare pentru a efectua măsurători destul de sofisticate ale luminii. De exemplu, ar putea pune lumina printr-o prismă sau o arunca de pe o rețea și pot împărți lumina primită în toate culorile sale. Vor ajunge cu o imagine a intensității sursei de lumină la toate culorile diferite. Această răspândire a culorilor se numește spectru, iar oamenii de știință care au examinat aceste spectre au fost un pic confuzi de răspândirea culorilor pe care le-au văzut. Primele decenii ale anilor 1900 au văzut un mare salt în înțelegere. Oamenii de știință înțeleg acum modul în care spectroscopia poate fi utilizată pentru a identifica elemente și compuși.
Mecanica cuantică și spectrele
Lumina conține energie. Dacă un atom are energie suplimentară, poate scăpa de el trimițând un mic pachet de lumină, numit foton. De asemenea, funcționează invers: dacă un foton se apropie de un atom care ar putea folosi o anumită energie suplimentară, fotonul poate fi absorbit de atom. Când oamenii de știință au început să măsoare cu acuratețe spectrele, unul dintre lucrurile care le-au încurcat a fost că multe spectre erau discontinue. Adică, când s-a ars sodiul, spectrul său nu era o răspândire lină a luminii galbene - era vorba de câteva benzi distincte, minuscule de galben. Și fiecare alt atom este în același mod. Este ca și cum electronii din atomi ar putea absorbi și emite doar o gamă foarte îngustă de energii - și acest lucru sa dovedit a fi exact cazul.
Niveluri de energie
Descoperirea că electronii dintr-un atom pot emite și absorbi numai niveluri specifice de energie este inima câmpului mecanicii cuantice. Vă puteți gândi la asta ca și cum un electron se află pe un fel de scară în jurul nucleului atomului său. Cu cât este mai înaltă pe scară, cu atât are mai multă energie - dar nu poate fi niciodată între treptele scării, trebuie să fie pe o treaptă sau alta. Acești pași se numesc niveluri de energie. Deci, dacă un electron are un nivel ridicat de energie, acesta poate scăpa de energie suplimentară coborând la oricare dintre nivelurile inferioare - dar nu oriunde între ele.
Unde sunt nivelurile de energie?
Un atom rămâne împreună, deoarece nucleul din centrul său este încărcat pozitiv, iar electronii care vâjâie sunt încărcați negativ. Sarcinile opuse se atrag reciproc, astfel încât electronii ar tinde să rămână aproape de nucleu. Dar puterea atragerii depinde de câte sarcini pozitive sunt în nucleu și de câte altele electronii vâjâie în jur, un fel de a bloca electronii din exterior să simtă atracția pozitivului nucleu. Deci, nivelurile de energie dintr-un atom depind de câți protoni sunt în nucleu și de câți electroni orbitează nucleul. Dar când un atom are un număr diferit de protoni și electroni, acesta devine un element diferit.
Spectre și Elemente
Deoarece fiecare element are un număr diferit de protoni în nucleu, nivelul de energie al fiecărui element este unic. Oamenii de știință pot folosi aceste informații în două moduri principale. În primul rând, atunci când o substanță primește energie suplimentară - cum ar fi atunci când puneți sare într-o flacără - elementele din substanță vor scăpa deseori de acea energie emițând lumină, numită spectru de emisie. În al doilea rând, când călătorii ușoare printr-un gaz, de exemplu, gazul poate absorbi o parte din acea lumină - acesta este un spectru de absorbție. În spectrele de emisie, vor apărea linii luminoase corespunzătoare diferenței dintre nivelurile de energie ale elementelor, unde într-un spectru de absorbție, liniile vor fi întunecate. Privind modelul liniilor, oamenii de știință pot afla nivelurile de energie ale elementelor din eșantion. Deoarece fiecare element are niveluri de energie unice, spectrele pot ajuta la identificarea elementelor dintr-un eșantion.