Hvordan hjælper Spectroscopy Help Identify Elements?

Gennem 1800'erne og begyndelsen af ​​1900'erne havde forskerne værktøjerne til at lave nogle ret sofistikerede målinger på lys. For eksempel kunne de sætte lys gennem et prisme eller hoppe det ud af et gitter og opdele indkommende lys i alle sine farver. De ville ende med et billede af intensiteten af ​​lyskilden i alle forskellige farver. Det spredning af farver kaldes et spektrum, og de forskere, der undersøgte disse spektre, var lidt forvirrede af spredningen af ​​farver, de så. De første årtier af 1900'erne så et stort spring i forståelsen. Forskere forstår nu hvordan spektroskopi kan bruges til at identificere elementer og forbindelser.

Kvantemekanik og spektra

Lys indeholder energi. Hvis et atom har ekstra energi, kan det slippe af med det ved at sende en lille pakke lys, kaldet en foton. Det virker også omvendt: Hvis en foton kommer tæt på et atom, som kan bruge lidt ekstra energi, kan fotonet absorberes af atomet. Da forskere først begyndte at måle spektre præcist, var en af ​​de ting, der forvirrede dem, at mange spektre var diskontinuerlige. Det vil sige, da natrium blev brændt, var dets spektrum ikke en glat spredning af gult lys - det var et par særskilte, små bånd af gule. Og hvert andet atom er på samme måde. Det er som om elektronerne i atomer kun kunne absorbere og udsende et meget snævert energiforbrug - og det viste sig at være præcis tilfældet.

Energiniveauer

Opdagelsen af, at elektroner i et atom kan kun udsende og absorbere specifikke energiniveauer er hjertet af kvantemekanikens område. Du kan tænke på dette som om en elektron er på en slags stige omkring kernen i dens atom. Jo højere på stigen er, desto mere energi har den - men det kan aldrig ligge mellem trinene på stigen, det skal være på et eller andet trin. Disse trin kaldes energiniveauer. Så hvis en elektron er på et højt energiniveau, kan det slippe af med ekstra energi ved at falde ned til et hvilket som helst af de lavere niveauer - men ikke hvor som helst i mellem.

Hvor er energiniveauerne?
Et atom forbliver sammen, fordi kernen i centrum er positivt ladet, og de elektroniske elektroner er negativt ladede. Modsatte ladninger tiltrækker hinanden, så elektronerne vil have tendens til at forblive tæt på kernen. Men trækets styrke afhænger af, hvor mange positive ladninger der er i kernen, og hvor mange andre elektroner whizzing rundt, slags blokering af de yderste elektroner fra at føle træk af den positive kerne. Så afhænger energiniveauerne i et atom af, hvor mange protoner der er i kernen, og hvor mange elektroner kredser om kernen. Men når et atom har et andet antal protoner og elektroner, bliver det et andet element.

Spektra og elementer

Fordi hvert element har et andet antal protoner i kernen, er energiniveauet af hvert element er unikt. Forskere kan bruge disse oplysninger på to hovedmåder. Først når et stof får ekstra energi - f.eks. Når du sætter salt i en flamme - vil elementerne i stoffet ofte slippe af med den energi ved at udsende lys, der kaldes et emissionsspektrum. For det andet, når lyset rejser gennem en gas, kan gassen f.eks. Absorbere noget af det lys - det er et absorptionsspektrum. I emissionsspektre vil lyse linjer dukke op svarende til forskellen mellem energiniveauerne af elementerne, hvor linjerne i et absorptionsspektrum vil være mørke. Ved at se på mønsteret af linjer kan forskere finde ud af energieniveauerne af elementerne i prøven. Da hvert element har unikke energiniveauer, kan spektrene hjælpe med at identificere elementer i en prøve.