Po celé 19. a začiatkom 20. storočia mali vedci nástroje na vykonávanie niektorých dosť sofistikovaných meraní svetla. Napríklad mohli preniknúť svetlom cez hranol alebo ho odraziť od mriežky a rozdeliť prichádzajúce svetlo do všetkých jeho farieb. Skončili by obrázkom intenzity svetelného zdroja vo všetkých rôznych farbách. Toto rozšírenie farieb sa nazýva spektrum a vedci, ktorí tieto spektrá skúmali, boli trochu zmätení z rozšírenia farieb, ktoré videli. Prvé desaťročia 20. storočia znamenali veľký skok v porozumení. Vedci teraz chápu, ako je možné spektroskopiu použiť na identifikáciu prvkov a zlúčenín.
Kvantová mechanika a spektrá
Svetlo obsahuje energiu. Ak má atóm extra energiu, môže sa jej zbaviť vysielaním malého balíčka svetla, ktorý sa nazýva fotón. Funguje to aj opačne: ak sa fotón priblíži k atómu, ktorý by mohol použiť trochu energie navyše, môže byť fotón atómom absorbovaný. Keď vedci prvýkrát začali presne merať spektrá, jedna z vecí, ktoré ich miali, bola skutočnosť, že veľa spektier bolo nespojitých. To znamená, že keď sa sodík spálil, jeho spektrum nebolo plynulým šírením žltého svetla - bolo to niekoľko zreteľných, drobných pásov žltej farby. A každý ďalší atóm je rovnaký. Je to, akoby elektróny v atómoch dokázali absorbovať a emitovať iba veľmi úzky rozsah energií - a ukázalo sa, že to bol presne tento prípad.
Úrovne energie
Objav, že elektróny v atóme môžu emitovať a absorbovať iba určité energetické hladiny, je srdcom oblasti kvantovej mechaniky. Môžete si to myslieť, akoby sa elektrón nachádzal na akomsi rebríku okolo jadra jeho atómu. Čím vyššie na rebríku, tým viac energie má - ale nikdy nemôže byť medzi krokmi rebríka, musí byť na jednom alebo druhom kroku. Tieto kroky sa nazývajú energetické úrovne. Pokiaľ je teda elektrón na vysokej energetickej úrovni, môže sa zbaviť extra energie poklesom na niektorú z nižších úrovní - ale nie nikde medzi tým.
Kde sú úrovne energie?
Atóm zostáva pohromade, pretože jadro v jeho strede je pozitívne nabité a šumiace elektróny sú nabité negatívne. Protikladné náboje sa navzájom lákajú, takže elektróny by mali tendenciu zostať blízko jadra. Ale sila ťahu závisí od toho, koľko pozitívnych nábojov je v jadre, a od toho, koľko ďalších elektróny svištia okolo, niečo blokuje najvzdialenejšie elektróny, aby cítili príťažlivosť pozitívu jadro. Energetické hladiny v atóme teda závisia od toho, koľko protónov je v jadre a koľko elektrónov obieha okolo jadra. Ale keď má atóm iný počet protónov a elektrónov, stane sa z neho iný prvok.
Spektrá a prvky
Pretože každý prvok má v jadre iný počet protónov, je energetická úroveň každého prvku jedinečná. Vedci môžu tieto informácie použiť dvoma hlavnými spôsobmi. Po prvé, keď látka získa extra energiu - napríklad keď vložíte soľ do plameňa - prvky v látke sa tejto energie často zbavia vyžarovaním svetla, ktoré sa nazýva emisné spektrum. Po druhé, keď svetlo cestuje napríklad cez plyn môže plyn absorbovať časť tohto svetla - to je absorpčné spektrum. V emisných spektrách sa ukážu jasné čiary zodpovedajúce rozdielu medzi energetickými hladinami prvkov, kde v absorpčnom spektre budú čiary tmavé. Pri pohľade na vzorec čiar môžu vedci zistiť energetické hladiny prvkov vo vzorke. Pretože každý prvok má jedinečnú hladinu energie, spektrá môžu pomôcť pri identifikácii prvkov vo vzorke.