Протягом 1800-х та на початку 1900-х років вчені мали інструменти для проведення досить складних вимірювань на світлі. Наприклад, вони могли пропустити світло через призму або відбити його від решітки та розділити надходить світло на всі його кольори. У підсумку вони отримали б зображення інтенсивності джерела світла при різних кольорах. Це поширення кольорів називається спектром, і вчені, які досліджували ці спектри, були трохи розгублені поширенням кольорів, яке вони побачили. Перші десятиліття 1900-х років зробили великий стрибок у розумінні. Зараз вчені розуміють, як за допомогою спектроскопії можна ідентифікувати елементи та сполуки.
Квантова механіка та спектри
Світло містить енергію. Якщо атом має зайву енергію, він може позбутися її, відправивши невеликий пакет світла, який називається фотоном. Це також працює навпаки: якщо фотон наближається до атома, який може використовувати деяку додаткову енергію, фотон може бути поглинений атомом. Коли вчені вперше почали точно вимірювати спектри, одна з речей, яка їх бентежила, полягала в тому, що багато спектри були розривними. Тобто, коли натрій спалювався, його спектр не був плавним поширенням жовтого світла - це була пара чітких крихітних смуг жовтого. І кожен інший атом - так само. Це ніби електрони в атомах можуть поглинати і випромінювати лише дуже вузький діапазон енергій - і це виявилося саме так.
Рівні енергії
Відкриття того, що електрони в атомі можуть випромінювати та поглинати лише певні енергетичні рівні, є серцем галузі квантової механіки. Ви можете думати про це так, ніби електрон знаходиться на своєрідних сходах навколо ядра свого атома. Чим вище на драбині, тим більше у неї енергії - але вона ніколи не може бути між щаблями драбини, вона повинна бути на тій чи іншій сходинці. Ці етапи називаються енергетичними рівнями. Отже, якщо електрон знаходиться на високому енергетичному рівні, він може позбутися зайвої енергії, опустившись на будь-який з нижчих рівнів - але не де-небудь між ними.
Де рівні енергії?
Атом залишається разом, оскільки ядро в його центрі заряджене позитивно, а свистячі електрони заряджені негативно. Протилежні заряди притягують один одного, тому електрони, як правило, тримаються близько до ядра. Але сила тяги залежить від того, скільки позитивних зарядів знаходиться в ядрі, і від того, скільки інших електрони шиплять навколо, як би блокуючи найвіддаленіші електрони від відчуття тяги позитиву ядро. Отже, рівні енергії в атомі залежать від того, скільки протонів знаходиться в ядрі і скільки електронів обертається навколо ядра. Але коли атом має різну кількість протонів та електронів, він стає іншим елементом.
Спектри та елементи
Оскільки кожен елемент має різну кількість протонів в ядрі, рівень енергії кожного елемента унікальний. Вчені можуть використовувати цю інформацію двома основними способами. По-перше, коли речовина отримує додаткову енергію - наприклад, коли ви кладете сіль у полум’я - елементи в речовині часто позбавляються цієї енергії, випромінюючи світло, яке називається спектром випромінювання. По-друге, коли легкі подорожі наприклад, через газ, газ може поглинати частину цього світла - це спектр поглинання. У спектрах випромінювання яскраві лінії відображатимуться відповідно до різниці між енергетичними рівнями елементів, де в спектрі поглинання лінії будуть темними. Подивившись на схему ліній, вчені можуть з'ясувати рівень енергії елементів у зразку. Оскільки кожен елемент має унікальні енергетичні рівні, спектри можуть допомогти ідентифікувати елементи у зразку.