Under 1800-talet och början av 1900-talet hade forskare verktygen för att göra några ganska sofistikerade mätningar på ljus. Till exempel kan de sätta ljus genom ett prisma eller studsa det av ett galler och dela inkommande ljus i alla sina färger. De skulle hamna med en bild av ljuskällans intensitet i alla olika färger. Den spridningen av färger kallas ett spektrum, och forskarna som granskade dessa spektra var lite förvirrade av spridningen av färger som de såg. De första decennierna av 1900-talet såg ett stort steg i förståelse. Forskare förstår nu hur spektroskopi kan användas för att identifiera element och föreningar.

Kvantmekanik och spektrum

Ljus innehåller energi. Om en atom har extra energi, kan den bli av med det genom att skicka ut ett litet paket av ljus, kallat en foton. Det fungerar också tvärtom: om en foton kommer nära en atom som kan använda lite extra energi, kan foton absorberas av atomen. När forskare började noggrant mäta spektra var ett av de saker som förvirrade dem att många spektra var diskontinuerliga. Det vill säga när natrium brändes, var dess spektrum inte en jämn spridning av gult ljus - det var ett par distinkta små band av gula. Och varje annan atom är på samma sätt. Det är som om elektronerna i atomerna bara kunde absorbera och avge ett mycket smalt energifärg - och det visade sig exakt vara.

Energinivåer

Upptäckten att elektroner i en atom kan bara avge och absorbera specifika energinivåer är hjärtat av kvantmekanikens område. Du kan tänka på detta som om en elektron ligger på en slags stege runt kärnan i sin atom. Ju högre på stegen, desto mer energi har det - men det kan aldrig ligga mellan stegens steg, det måste vara på ett steg eller ett annat. Dessa steg kallas energinivåer. Så om en elektron är på hög energinivå kan den bli av med extra energi genom att gå ner till någon av de lägre nivåerna - men inte någonstans däremellan.

Var är energinivåerna?

En atom förblir ihop eftersom kärnan i dess centrum är positivt laddad och de whizzingelektronerna är negativt laddade. Motsatta laddningar lockar varandra, så elektronerna brukar vara nära kärnan. Men dragets styrka beror på hur många positiva laddningar som ligger i kärnan, och hur många andra elektroner är whizzing runt, typ av blockering av de yttersta elektronerna från att känna dragningen av den positiva kärnan. Så energinivåerna i en atom beror på hur många protoner som finns i kärnan och hur många elektroner som kretsar kärnan. Men när en atom har ett annat antal protoner och elektroner blir det ett annat element.

Spektra och element

Eftersom varje element har ett annat antal protoner i kärnan, varje element är unikt. Forskare kan använda denna information på två huvudsakliga sätt. Först när ett ämne får extra energi - till exempel när du sätter salt i en flamma - kommer elementen i ämnet ofta att bli av med den energin genom att ge ljus, kallat ett emissionsspektrum. För det andra, när ljuset passerar genom en gas, kan gasen absorbera något av det ljuset - det är ett absorptionsspektrum. I emissionsspektra kommer ljusa linjer att uppstå som motsvarar skillnaden mellan energinivåerna hos elementen, där i ett absorptionsspektrum blir linjerna mörka. Genom att titta på linjemönstret kan forskare räkna ut energinivåerna hos elementen i provet. Eftersom varje element har unika energinivåer kan spektra hjälpa till att identifiera element i ett prov.