Au cours des années 1800 et au début des années 1900, les scientifiques disposaient des outils nécessaires pour effectuer des mesures assez sophistiquées sur la lumière. Par exemple, ils pourraient mettre de la lumière à travers un prisme ou rebondir sur un réseau et diviser la lumière entrante dans toutes ses couleurs. Ils se retrouveraient avec une image de l'intensité de la source lumineuse à toutes les couleurs différentes. Cette propagation des couleurs est appelée un spectre, et les scientifiques qui ont examiné ces spectres étaient un peu confus par la propagation des couleurs qu'ils ont vu. Les premières décennies des années 1900 ont vu un grand pas en avant dans la compréhension. Les scientifiques comprennent maintenant comment la spectroscopie peut être utilisée pour identifier des éléments et des composés.
Mécanique quantique et spectres
La lumière contient de l'énergie. Si un atome a une énergie supplémentaire, il peut s'en débarrasser en envoyant un petit paquet de lumière, appelé photon. Cela fonctionne également dans l'autre sens: si un photon s'approche d'un atome qui pourrait utiliser une énergie supplémentaire, le photon peut être absorbé par l'atome. Lorsque les scientifiques ont commencé à mesurer avec précision les spectres, l'une des choses qui les a confondus était que de nombreux spectres étaient discontinus. Autrement dit, lorsque le sodium a été brûlé, son spectre n'était pas une propagation lisse de la lumière jaune - c'était un couple, de minuscules bandes de jaune. Et tous les autres atomes sont de la même manière. C'est comme si les électrons dans les atomes pouvaient seulement absorber et émettre une gamme très étroite d'énergies - et cela s'est avéré être exactement le cas.
Niveaux d'énergie
La découverte que les électrons dans un atome ne peut qu'émettre et absorber des niveaux d'énergie spécifiques est le cœur du domaine de la mécanique quantique. Vous pouvez penser à ceci comme si un électron était sur une sorte d'échelle autour du noyau de son atome. Le plus haut sur l'échelle, le plus d'énergie qu'il a - mais il ne peut jamais être entre les étapes de l'échelle, il doit être sur un pas ou un autre. Ces étapes sont appelées niveaux d'énergie. Donc, si un électron est dans un niveau d'énergie élevé, il peut se débarrasser de l'énergie supplémentaire en tombant à l'un des niveaux inférieurs - mais pas n'importe où entre les deux.
Où sont les niveaux d'énergie?
Un atome reste uni car le noyau en son centre est chargé positivement et les électrons sifflants sont chargés négativement. Les charges opposées s'attirent, de sorte que les électrons auraient tendance à rester près du noyau. Mais la force de l'attraction dépend du nombre de charges positives dans le noyau, et du nombre d'autres électrons qui tournent, empêchant les électrons extérieurs de ressentir l'attraction du noyau positif. Ainsi, les niveaux d'énergie dans un atome dépendent du nombre de protons dans le noyau et du nombre d'électrons en orbite autour du noyau. Mais quand un atome a un nombre différent de protons et d'électrons, il devient un élément différent.
Spectra et éléments
Parce que chaque élément a un nombre différent de protons dans le noyau, le niveau d'énergie de chaque élément est unique. Les scientifiques peuvent utiliser cette information de deux façons principales. Premièrement, lorsqu'une substance reçoit une énergie supplémentaire - comme lorsque vous mettez du sel dans une flamme - les éléments de la substance se débarrassent souvent de cette énergie en émettant de la lumière, appelée spectre d'émission. Deuxièmement, lorsque la lumière traverse un gaz, par exemple, le gaz peut absorber une partie de cette lumière - c'est un spectre d'absorption. Dans les spectres d'émission, des lignes claires apparaîtront correspondant à la différence entre les niveaux d'énergie des éléments, où dans un spectre d'absorption, les lignes seront sombres. En regardant le motif des lignes, les scientifiques peuvent déterminer les niveaux d'énergie des éléments dans l'échantillon. Puisque chaque élément a des niveaux d'énergie uniques, les spectres peuvent aider à identifier les éléments dans un échantillon.
