Under 1800- och början av 1900-talet hade forskarna verktygen för att göra några ganska sofistikerade mätningar på ljuset. Till exempel kan de sätta ljus genom ett prisma eller studsa det av ett galler och dela upp inkommande ljus i alla dess färger. De skulle sluta med en bild av ljuskällans intensitet i alla olika färger. Den spridningen av färger kallas ett spektrum, och forskarna som undersökte dessa spektra var lite förvirrade av spridningen av färger de såg. De första decennierna av 1900-talet såg ett stort steg i förståelsen. Forskare förstår nu hur spektroskopi kan användas för att identifiera element och föreningar.
Kvantmekanik och spektra
Ljus innehåller energi. Om en atom har extra energi kan den bli av med den genom att skicka ut ett litet paket med ljus, kallat foton. Det fungerar också tvärtom: om en foton kommer nära en atom som kan använda lite extra energi kan foton absorberas av atomen. När forskare först började noggrant mäta spektra var en av de saker som förvirrade dem att många spektra var diskontinuerliga. Det vill säga, när natrium brändes, var dess spektrum inte en jämn spridning av gult ljus - det var ett par distinkta, små gula band. Och alla andra atomer är på samma sätt. Det är som om elektronerna i atomerna bara kunde absorbera och avge ett mycket smalt område av energier - och det visade sig vara exakt fallet.
Energinivåer
Upptäckten att elektroner i en atom bara kan avge och absorbera specifika energinivåer är hjärtat i kvantmekanikens fält. Du kan tänka på detta som om en elektron befinner sig på en slags stege runt kärnan i sin atom. Ju högre på stegen, desto mer energi har den - men den kan aldrig vara mellan stegen, den måste vara på ett eller annat steg. Dessa steg kallas energinivåer. Så om en elektron har en hög energinivå kan den bli av med extra energi genom att falla ner till någon av de lägre nivåerna - men inte någonstans däremellan.
Var är energinivåerna?
En atom förblir ihop eftersom kärnan i dess centrum är positivt laddad och de gnistrande elektronerna är negativt laddade. Motsatta laddningar lockar varandra, så elektronerna tenderar att stanna nära kärnan. Men styrkan i dragningen beror på hur många positiva laddningar som finns i kärnan och på hur många andra elektroner susar runt, vilket blockerar de yttersta elektronerna från att känna det positiva kärna. Så energinivåerna i en atom beror på hur många protoner som finns i kärnan och hur många elektroner som kretsar kring kärnan. Men när en atom har ett annat antal protoner och elektroner blir det ett annat element.
Spectra och element
Eftersom varje element har olika antal protoner i kärnan är energinivån för varje element unik. Forskare kan använda denna information på två huvudsakliga sätt. Först när ett ämne får extra energi - till exempel när du lägger salt i en flamma - kommer elementen i ämnet ofta att bli av med den energin genom att avge ljus, kallat ett emissionsspektrum. För det andra, när ljus reser genom en gas kan till exempel gasen absorbera en del av det ljuset - det är ett absorptionsspektrum. I emissionsspektra kommer ljusa linjer att visas som motsvarar skillnaden mellan elementens energinivåer, där linjerna i ett absorptionsspektrum är mörka. Genom att titta på linjemönstret kan forskare räkna ut energinivåerna för elementen i provet. Eftersom varje element har unika energinivåer kan spektra hjälpa till att identifiera element i ett prov.