Током 1800-их и почетком 1900-их научници су имали алате да направе прилично софистицирана мерења на светлости. На пример, могли су да провуку светлост кроз призму или да је одбију од решетке и да поделе долазну светлост у све њене боје. На крају би добили слику интензитета извора светлости у свим различитим бојама. То ширење боја назива се спектар, а научници који су испитивали те спектре били су помало збуњени ширењем боја које су видели. Прве деценије 1900-их забележиле су велики помак у разумевању. Научници сада разумеју како се спектроскопија може користити за идентификацију елемената и једињења.
Квантна механика и спектри
Светлост садржи енергију. Ако атом има додатну енергију, може је се ослободити слањем малог пакета светлости, званог фотон. Такође делује обрнуто: ако се фотон приближи атому који би могао да искористи додатну енергију, атом може да га апсорбује. Када су научници први пут започели тачно мерење спектра, једна од ствари која их је збунила била је та што су многи спектри били испрекидани. Односно, када је натријум изгаран, његов спектар није био глатко ширење жуте светлости - то је било неколико различитих, ситних трака жуте боје. И сваки други атом је на исти начин. То је као да би електрони у атомима могли само да апсорбују и емитују врло уски опсег енергија - а испоставило се да је то управо случај.
Нивои енергије
Откриће да електрони у атому могу само да емитују и апсорбују одређене нивое енергије је срце поља квантне механике. Можете ово замислити као да се електрон налази на некој лествици око језгра свог атома. Што је више на лествици, то више енергије има - али никада не може бити између степеница лествице, мора бити на једном или другом степенику. Ти кораци се називају нивоима енергије. Дакле, ако је електрон у високом енергетском нивоу, он се може ослободити додатне енергије спуштањем на било који од нижих нивоа - али не било где између.
Где су нивои енергије?
Атом остаје заједно, јер је језгро у његовом центру позитивно наелектрисано, а звиждући електрони негативно наелектрисани. Супротно наелектрисање привлачи једни друге, па би електрони имали тенденцију да остану близу језгра. Али снага привлачења зависи од тога колико је позитивних наелектрисања у језгру и од колико других електрони звижде около, некако блокирајући најудаљеније електроне да осете привлачење позитива језгро. Дакле, нивои енергије у атому зависе од тога колико је протона у језгру и колико електрона кружи око језгра. Али када атом има различит број протона и електрона, он постаје други елемент.
Спектри и елементи
Будући да сваки елемент има различит број протона у језгру, ниво енергије сваког елемента је јединствен. Научници могу да користе ове информације на два главна начина. Прво, када супстанца добије додатну енергију - на пример када ставите сол у пламен - елементи у супстанци ће се често ослободити те енергије емитујући светлост, која се назива емисиони спектар. Друго, када светлост путује кроз гас, на пример, гас може да апсорбује део те светлости - то је апсорпциони спектар. У емисионим спектрима ће се појавити светле линије које одговарају разлици између нивоа енергије елемената, где ће у апсорпционом спектру линије бити тамне. Гледајући образац линија, научници могу да открију ниво енергије елемената у узорку. Будући да сваки елемент има јединствени ниво енергије, спектри могу помоћи у идентификацији елемената у узорку.