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Gli elettroni energizzati devono liberarsi dell’energia in eccesso per stabilizzarsi in uno stato inferiore e stabile. Quel rilascio si manifesta come fotoni:luce. Gli spettri di emissione atomica sono quindi una mappa di elettroni che scivolano verso livelli energetici più bassi. La meccanica quantistica impone che gli elettroni possano assorbire o emettere solo quanti di energia specifici e discreti. La configurazione orbitale unica di ogni elemento governa le lunghezze d'onda, e quindi i colori, delle sue linee di emissione.
Mentre il mondo macroscopico segue leggi continue e deterministiche, il regno microscopico è governato da stati discreti e probabilità. Gli elettroni occupano livelli energetici distinti senza stati intermedi. Quando è eccitato, un elettrone salta istantaneamente ad un livello superiore; quando si rilassa emette un fotone la cui energia è pari alla distanza tra i due livelli. A differenza di un fuoco che brucia costantemente, che emette energia gradualmente, un elettrone rilascia la sua energia tutta in una volta.
L'energia della luce esiste in pacchetti chiamati fotoni. I fotoni hanno energie diverse che corrispondono a diverse lunghezze d'onda. Pertanto, il colore delle linee di emissione riflette la quantità di energia rilasciata da un elettrone. Questa energia cambia a seconda della struttura orbitale dell'atomo e dei livelli energetici dei suoi elettroni. Energie più elevate corrispondono a lunghezze d'onda verso l'estremità blu più corta dello spettro della luce visibile.
Quando la luce passa attraverso gli atomi, questi ultimi possono assorbire parte dell’energia luminosa. Uno spettro di assorbimento ci mostra quali lunghezze d'onda della luce sono state assorbite da un particolare gas. Uno spettro di assorbimento appare come uno spettro continuo, o arcobaleno, con alcune linee nere. Queste linee nere rappresentano le energie dei fotoni assorbite dagli elettroni nel gas. Quando visualizziamo lo spettro di emissione del gas corrispondente, verrà visualizzato il contrario; lo spettro di emissione sarà nero ovunque tranne che per le energie fotoniche che ha precedentemente assorbito.
Gli spettri di emissione possono avere un gran numero di righe. Il numero di linee non è uguale al numero di elettroni in un atomo. Ad esempio, l'idrogeno ha un elettrone, ma il suo spettro di emissione mostra molte righe. Ogni riga di emissione rappresenta invece un diverso salto di energia che potrebbe compiere un elettrone di un atomo. Quando esponiamo un gas a fotoni di tutte le lunghezze d'onda, ogni elettrone nel gas può assorbire un fotone con esattamente l'energia giusta per eccitarlo al successivo livello energetico possibile. Quindi, i fotoni di uno spettro di emissione rappresentano una varietà di possibili livelli energetici.
