สเปกโตรสโคปีช่วยระบุองค์ประกอบได้อย่างไร?

นักวิทยาศาสตร์ตลอดช่วงปี 1800 และต้นทศวรรษ 1900 มีเครื่องมือในการตรวจวัดแสงที่ซับซ้อนมาก ตัวอย่างเช่น พวกเขาสามารถฉายแสงผ่านปริซึมหรือกระเด็นออกจากตะแกรงแล้วแยกแสงที่เข้ามาเป็นสีทั้งหมด พวกเขาจะลงเอยด้วยภาพความเข้มของแหล่งกำเนิดแสงที่มีสีต่างกันทั้งหมด การแพร่กระจายของสีนั้นเรียกว่าสเปกตรัมและนักวิทยาศาสตร์ที่ตรวจสอบสเปกตรัมเหล่านั้นรู้สึกสับสนเล็กน้อยกับการแพร่กระจายของสีที่พวกเขาเห็น ทศวรรษแรกของปี 1900 มีความเข้าใจอย่างก้าวกระโดด ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าสเปกโตรสโคปีสามารถใช้เพื่อระบุองค์ประกอบและสารประกอบได้อย่างไร

แสงประกอบด้วยพลังงาน หากอะตอมมีพลังงานเพิ่มขึ้น ก็สามารถกำจัดมันได้โดยส่งแสงเล็กๆ ที่เรียกว่าโฟตอนออกไป มันยังทำงานในทางตรงกันข้าม: ถ้าโฟตอนเข้าใกล้อะตอมที่สามารถใช้พลังงานพิเศษได้ โฟตอนจะถูกดูดซับโดยอะตอม เมื่อนักวิทยาศาสตร์เริ่มวัดสเปกตรัมอย่างแม่นยำ สิ่งหนึ่งที่ทำให้พวกเขาสับสนก็คือสเปกตรัมจำนวนมากไม่ต่อเนื่อง นั่นคือ เมื่อโซเดียมถูกเผา สเปกตรัมของมันไม่กระจายแสงสีเหลืองอย่างราบรื่น แต่เป็นแถบสีเหลืองเล็กๆ สองแถบที่แตกต่างกัน และทุก ๆ อะตอมก็เหมือนกัน ราวกับว่าอิเล็กตรอนในอะตอมสามารถดูดซับและปล่อยพลังงานในช่วงที่แคบมากเท่านั้น และนั่นก็กลายเป็นว่าเป็นเช่นนั้นจริงๆ

การค้นพบว่าอิเล็กตรอนในอะตอมสามารถเปล่งและดูดซับระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้นคือหัวใจของกลศาสตร์ควอนตัม คุณสามารถคิดได้เหมือนกับว่าอิเล็กตรอนอยู่บนบันไดชนิดหนึ่งรอบๆ นิวเคลียสของอะตอม ยิ่งบนบันไดสูงเท่าไหร่ก็ยิ่งมีพลังงานมากขึ้นเท่านั้น แต่มันไม่สามารถอยู่ระหว่างขั้นบันไดได้ มันต้องอยู่ในขั้นตอนเดียวหรืออีกขั้นหนึ่ง ขั้นตอนเหล่านี้เรียกว่าระดับพลังงาน ดังนั้น หากอิเล็กตรอนมีระดับพลังงานสูง ก็สามารถกำจัดพลังงานส่วนเกินออกไปได้โดยการลดระดับลงไปที่ระดับใดๆ ที่ต่ำกว่า แต่ไม่ใช่ที่ใดๆ ในระหว่างนั้น

อะตอมอยู่ด้วยกันเพราะนิวเคลียสที่อยู่ตรงกลางมีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่ส่งเสียงหึ่งจะมีประจุลบ ประจุตรงข้ามจะดึงดูดกัน ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงมีแนวโน้มที่จะอยู่ใกล้นิวเคลียส แต่ความแรงของแรงดึงนั้นขึ้นอยู่กับว่าในนิวเคลียสมีประจุบวกกี่ประจุ และประจุอื่นๆ อีกมากเพียงใด อิเล็กตรอนกำลังหวือหวาไปรอบ ๆ ชนิดของการปิดกั้นอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดจากความรู้สึกดึงของบวก นิวเคลียส. ดังนั้นระดับพลังงานในอะตอมจึงขึ้นอยู่กับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำนวนอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส แต่เมื่ออะตอมมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนต่างกัน มันก็จะกลายเป็นองค์ประกอบที่แตกต่างกัน

เนื่องจากแต่ละธาตุมีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสต่างกัน ระดับพลังงานของแต่ละธาตุจึงไม่ซ้ำกัน นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ข้อมูลนี้ได้สองวิธีหลัก ประการแรก เมื่อสารได้รับพลังงานพิเศษ เช่น เมื่อคุณใส่เกลือลงในเปลวไฟ ธาตุในสารมักจะกำจัดพลังงานนั้นออกไปโดยการเปล่งแสง เรียกว่าสเปกตรัมการแผ่รังสี ประการที่สอง เมื่อ แสงเดินทาง ผ่านแก๊ส ตัวอย่างเช่น แก๊สสามารถดูดซับแสงบางส่วนได้ นั่นคือสเปกตรัมการดูดกลืนแสง ในสเปกตรัมการแผ่รังสี เส้นสว่างจะแสดงขึ้นตามความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานขององค์ประกอบ ซึ่งในสเปกตรัมการดูดกลืน เส้นจะมืด จากการดูรูปแบบของเส้น นักวิทยาศาสตร์สามารถหาระดับพลังงานขององค์ประกอบในตัวอย่างได้ เนื่องจากทุกองค์ประกอบมีระดับพลังงานที่ไม่ซ้ำกัน สเปกตรัมสามารถช่วยระบุองค์ประกอบในตัวอย่างได้