На протяжении 1800-х и начала 1900-х годов у ученых были инструменты для проведения довольно сложных измерений света. Например, они могут пропускать свет через призму или отражать его от решетки и разделять падающий свет на все цвета. В итоге они получат картину интенсивности источника света всех цветов. Такой разброс цветов называется спектром, и ученые, исследовавшие эти спектры, были немного сбиты с толку увиденным разбросом цветов. В первые десятилетия 1900-х годов произошел большой скачок в понимании. Ученые теперь понимают, как спектроскопию можно использовать для идентификации элементов и соединений.
Квантовая механика и спектры
Свет содержит энергию. Если у атома есть дополнительная энергия, он может избавиться от нее, послав небольшой пакет света, называемый фотоном. Это также работает наоборот: если фотон приближается к атому, который может использовать некоторую дополнительную энергию, фотон может быть поглощен атомом. Когда ученые впервые начали точно измерять спектры, одна из вещей, которая их смущала, заключалась в том, что многие спектры были прерывистыми. То есть, когда натрий был сожжен, его спектр не был гладким желтым светом - он представлял собой пару отдельных крошечных желтых полос. И любой другой атом такой же. Это как если бы электроны в атомах могли поглощать и излучать только очень узкий диапазон энергий - и это оказалось именно так.
Уровни энергии
Открытие того, что электроны в атоме могут излучать и поглощать только определенные уровни энергии, является сердцем области квантовой механики. Вы можете думать об этом так, как будто электрон находится на некоей лестнице вокруг ядра своего атома. Чем выше лестница, тем больше в ней энергии - но она никогда не может находиться между ступенями лестницы, она должна быть на той или иной ступеньке. Эти шаги называются уровнями энергии. Итак, если электрон находится на высоком энергетическом уровне, он может избавиться от лишней энергии, опустившись на любой из более низких уровней, но не где-нибудь между ними.
Где уровни энергии?
Атом остается вместе, потому что ядро в его центре заряжено положительно, а движущиеся электроны заряжены отрицательно. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, поэтому электроны будут стремиться оставаться ближе к ядру. Но сила притяжения зависит от того, сколько положительных зарядов находится в ядре, и от того, сколько других. электроны носятся вокруг, как бы блокируя внешние электроны от ощущения притяжения положительного ядро. Таким образом, уровни энергии в атоме зависят от того, сколько протонов находится в ядре и сколько электронов вращается вокруг ядра. Но когда у атома другое количество протонов и электронов, он становится другим элементом.
Спектры и элементы
Поскольку каждый элемент имеет разное количество протонов в ядре, уровень энергии каждого элемента уникален. Ученые могут использовать эту информацию двумя основными способами. Во-первых, когда вещество получает дополнительную энергию - например, когда вы кладете соль в пламя, - элементы вещества часто избавляются от этой энергии, излучая свет, называемый спектром излучения. Во-вторых, когда легкие путешествия Например, через газ газ может поглотить часть этого света - это спектр поглощения. В спектрах излучения появятся яркие линии, соответствующие разнице между уровнями энергии элементов, а в спектре поглощения линии будут темными. Глядя на узор из линий, ученые могут определить уровни энергии элементов в образце. Поскольку каждый элемент имеет уникальные уровни энергии, спектры могут помочь идентифицировать элементы в образце.