In de negentiende en begin van de twintigste eeuw hadden wetenschappers de gereedschappen om een ​​aantal behoorlijk geavanceerde metingen op licht uit te voeren. Ze zouden bijvoorbeeld een prisma door een prisma kunnen steken of het van een tralie kunnen stuiteren en het invallende licht in al zijn kleuren kunnen splitsen. Ze zouden eindigen met een beeld van de intensiteit van de lichtbron in alle verschillende kleuren. Die verspreiding van kleuren wordt een spectrum genoemd, en de wetenschappers die die spectra hebben onderzocht, waren een beetje in de war door de verspreiding van kleuren die ze zagen. De eerste decennia van de jaren 1900 zagen een grote sprong in begrip. Wetenschappers begrijpen nu hoe spectroscopie kan worden gebruikt om elementen en verbindingen te identificeren.

Quantummechanica en spectra

Licht bevat energie. Als een atoom extra energie heeft, kan het zich ervan ontdoen door een klein lichtpakket, een foton genaamd, uit te zenden. Het werkt ook andersom: als een foton in de buurt komt van een atoom dat wat extra energie zou kunnen gebruiken, kan het foton door het atoom worden geabsorbeerd. Toen wetenschappers voor het eerst nauwkeurig begonnen met het meten van spectra, was een van de dingen die hen in verwarring brachten dat veel spectra discontinu waren. Dat wil zeggen, toen natrium werd verbrand, was het spectrum niet een gelijkmatige verspreiding van geel licht - het waren een paar verschillende, minuscule gele strepen. En elk ander atoom is op dezelfde manier. Het is alsof de elektronen in de atomen slechts een heel klein bereik van energieën kunnen absorberen en uitstoten - en dat bleek precies het geval te zijn.

Energieniveaus

De ontdekking dat elektronen in een atoom kan alleen specifieke energieniveaus uitzenden en absorberen, is het hart van het veld van de kwantummechanica. Je kunt dit zien als een elektron op een soort ladder rond de kern van zijn atoom. Hoe hoger op de ladder, hoe meer energie het heeft - maar het kan nooit tussen de treden van de ladder zijn, het moet op een of andere stap zijn. Die stappen worden energieniveaus genoemd. Dus, als een elektron zich in een hoog energieniveau bevindt, kan het zich ontdoen van extra energie door naar elk lager niveau te gaan - maar niet overal er tussenin.

Waar zijn de energieniveaus?

Een atoom blijft samen omdat de kern in het centrum positief geladen is en de bruisende elektronen negatief geladen zijn. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, zodat de elektronen de neiging hebben om dicht bij de kern te blijven. Maar de kracht van de trekkracht hangt af van hoeveel positieve ladingen er in de kern zitten, en van hoeveel andere elektronen er rond zwiepen, soort van blokkering van de buitenste elektronen van het voelen van de aantrekkingskracht van de positieve kern. Dus de energieniveaus in een atoom hangen af ​​van hoeveel protonen er in de kern zitten en hoeveel elektronen er in de kern ronddraaien. Maar wanneer een atoom een ​​ander aantal protonen en elektronen heeft, wordt het een ander element.

Spectra en elementen

Omdat elk element een ander aantal protonen in de kern heeft, is het energieniveau van elk element is uniek. Wetenschappers kunnen deze informatie op twee manieren gebruiken. Ten eerste, wanneer een substantie extra energie krijgt - zoals wanneer je zout in een vlam steekt - zullen de elementen in de substantie vaak die energie kwijtraken door licht uit te zenden, een emissiespectrum genaamd. Ten tweede, wanneer licht door een gas reist, kan het gas wat van dat licht absorberen - dat is een absorptiespectrum. In emissiespectra zullen heldere lijnen verschijnen die overeenkomen met het verschil tussen energieniveaus van de elementen, waarbij in een absorptiespectrum de lijnen donker zullen zijn. Door te kijken naar het patroon van lijnen, kunnen wetenschappers de energieniveaus van de elementen in de steekproef berekenen. Omdat elk element unieke energieniveaus heeft, kunnen de spectra elementen in een steekproef helpen identificeren.