Nel corso del 1800 e all'inizio del 1900 gli scienziati hanno avuto gli strumenti per effettuare misurazioni piuttosto sofisticate sulla luce. Ad esempio, potrebbero mettere la luce attraverso un prisma o rimbalzare su una griglia e dividere la luce in entrata in tutti i suoi colori. Si ritroverebbero con un'immagine dell'intensità della sorgente luminosa a tutti i colori differenti. Quella diffusione di colori è chiamata spettro e gli scienziati che hanno esaminato quegli spettri sono stati un po 'confusi dalla diffusione dei colori che hanno visto. I primi decenni del 1900 hanno visto un grande passo avanti nella comprensione. Gli scienziati ora comprendono come utilizzare la spettroscopia per identificare elementi e composti.
Meccanica e spettri quantistici
La luce contiene energia. Se un atomo ha un'energia extra, può liberarsene inviando un piccolo pacchetto di luce, chiamato fotone. Funziona anche il contrario: se un fotone si avvicina ad un atomo che potrebbe usare un po 'di energia in più, il fotone può essere assorbito dall'atomo. Quando gli scienziati hanno iniziato a misurare con precisione gli spettri, una delle cose che li ha confusi era che molti spettri erano discontinui. Cioè, quando il sodio è stato bruciato, il suo spettro non era una diffusione uniforme della luce gialla - era un paio di bande distinte, minuscole di giallo. E ogni altro atomo è allo stesso modo. È come se gli elettroni negli atomi potessero assorbire ed emettere solo una gamma molto ristretta di energie - e questo risultò essere esattamente il caso.
Livelli energetici
La scoperta che gli elettroni in un atomo può emettere e assorbire solo specifici livelli di energia è il cuore del campo della meccanica quantistica. Puoi pensare a questo come se un elettrone si trovasse su una specie di scala attorno al nucleo del suo atomo. Più in alto nella scala, più energia ha, ma non può mai essere tra i gradini della scala, deve essere su un gradino o l'altro. Questi passaggi sono chiamati livelli di energia. Quindi, se un elettrone si trova in un livello di energia elevato, può liberarsi dell'energia extra abbassandosi a uno dei livelli più bassi, ma non da nessuna parte.
Dove sono i livelli energetici?
Un atomo rimane insieme perché il nucleo nel suo centro è caricato positivamente e gli elettroni sibilano sono caricati negativamente. Le cariche opposte si attraggono, quindi gli elettroni tendono a stare vicino al nucleo. Ma la forza dell'attrazione dipende da quante cariche positive si trovano nel nucleo e da quanti altri elettroni stanno sfrecciando, bloccando gli elettroni più esterni dal sentire la forza del nucleo positivo. Quindi i livelli di energia in un atomo dipendono dal numero di protoni presenti nel nucleo e da quanti elettroni sono in orbita attorno al nucleo. Ma quando un atomo ha un numero diverso di protoni ed elettroni diventa un elemento diverso.
Spettri ed elementi
Poiché ogni elemento ha un diverso numero di protoni nel nucleo, il livello di energia di ogni elemento è unico. Gli scienziati possono usare queste informazioni in due modi principali. In primo luogo, quando una sostanza riceve energia extra - come quando si mette il sale in una fiamma - gli elementi della sostanza spesso si liberano di quell'energia emettendo luce, chiamata spettro di emissione. Secondo, quando la luce viaggia attraverso un gas, per esempio, il gas può assorbire parte di quella luce - questo è uno spettro di assorbimento. Negli spettri di emissione, le linee luminose appariranno corrispondenti alla differenza tra i livelli di energia degli elementi, dove in uno spettro di assorbimento le linee saranno scure. Osservando lo schema delle linee, gli scienziati possono calcolare i livelli di energia degli elementi nel campione. Poiché ogni elemento ha livelli energetici unici, gli spettri possono aiutare a identificare gli elementi in un campione.
