Kako spektroskopija pomaga prepoznati elemente?

V devetnajstih in zgodnjih devetdesetih letih 20. stoletja so imeli znanstveniki orodja za izvedbo nekaterih precej dovršenih meritev svetlobe. Na primer, lahko bi svetlobo postavili skozi prizmo ali jo odbili od rešetke in dobelo svetlobo razdelili na vse njene barve. Na koncu bi dobili sliko jakosti svetlobnega vira v vseh različnih barvah. Takšno širjenje barv imenujemo spekter in znanstveniki, ki so preučevali te spektre, so bili nekoliko zmedeni zaradi širjenja barv, ki so jih videli. Prva desetletja 19. stoletja so zaznamovala velik preskok v razumevanju. Znanstveniki zdaj razumejo, kako lahko s pomočjo spektroskopije identificiramo elemente in spojine.

Svetloba vsebuje energijo. Če ima atom dodatno energijo, se je lahko reši tako, da pošlje majhen svetilj, imenovan foton. Deluje tudi obratno: če se foton približa atomu, ki bi lahko porabil nekaj dodatne energije, ga lahko foton absorbira. Ko so znanstveniki prvič začeli natančno meriti spektre, jih je ena zmedla ta, da je bilo veliko spektrov prekinjenih. Se pravi, ko je natrij izgoreval, njegov spekter ni bil gladko širjenje rumene svetlobe - bil je nekaj ločenih, drobnih trakov rumene barve. In vsak drugi atom je enak. Kot da bi elektroni v atomih lahko absorbirali in oddajali le zelo ozek obseg energij - in izkazalo se je, da je to točno tako.

Odkritje, da lahko elektroni v atomu oddajajo in absorbirajo samo določene ravni energije, je srce področja kvantne mehanike. To lahko mislite kot da je elektron na nekakšni lestvi okoli jedra svojega atoma. Višje kot je na lestvi, več energije ima - vendar nikoli ne sme biti med stopnicami lestve, mora biti na eni ali drugi stopnici. Ti koraki se imenujejo ravni energije. Torej, če je elektron v visoki energijski ravni, se lahko znebi odvečne energije tako, da se spusti na katero koli spodnjo raven - vendar ne kjer koli vmes.

Atom ostane skupaj, ker je jedro v njegovem središču pozitivno nabito, pihajoči elektroni pa negativno nabiti. Nasprotni naboji se privlačijo, zato bi se elektroni ponavadi zadrževali blizu jedra. Toda moč vlečenja je odvisna od tega, koliko pozitivnih nabojev je v jedru in koliko drugih elektroni pihajo naokrog in nekako preprečujejo, da bi najbolj oddaljeni elektroni občutili vlečenje pozitivnega jedro. Raven energije v atomu je torej odvisna od tega, koliko protonov je v jedru in koliko elektronov kroži okoli jedra. Ko pa ima atom različno število protonov in elektronov, postane drugačen element.

Ker ima vsak element različno število protonov v jedru, je raven energije vsakega elementa edinstvena. Znanstveniki lahko te podatke uporabljajo na dva glavna načina. Prvič, ko snov dobi dodatno energijo - na primer, ko sol daste v plamen - se elementi v snovi pogosto rešijo te energije z oddajanjem svetlobe, ki se imenuje emisijski spekter. Drugič, kdaj svetlobna potovanja skozi plin lahko na primer absorbira del te svetlobe - to je absorpcijski spekter. V emisijskih spektrih se bodo prikazale svetle črte, ki ustrezajo razliki med nivoji energije elementov, kjer bodo v absorpcijskem spektru črte temne. Z ogledom vzorca črt lahko znanstveniki ugotovijo raven energije elementov v vzorcu. Ker ima vsak element edinstveno raven energije, lahko spektri pomagajo prepoznati elemente v vzorcu.