A lo largo de la década de 1800 y principios de la de 1900, los científicos tenían las herramientas para realizar algunas mediciones bastante sofisticadas de la luz. Por ejemplo, podrían iluminar un prisma o rebotarlo en una rejilla y dividir la luz entrante en todos sus colores. Ellos terminarían con una imagen de la intensidad de la fuente de luz en todos los colores diferentes. Esa extensión de colores se llama espectro, y los científicos que examinaron esos espectros estaban un poco confundidos por la difusión de colores que veían. Las primeras décadas de la década de 1900 vieron un gran salto en la comprensión. Los científicos ahora entienden cómo se puede usar la espectroscopia para identificar elementos y compuestos.

Mecánica cuántica y espectros

La luz contiene energía. Si un átomo tiene energía extra, puede deshacerse de él enviando un pequeño paquete de luz, llamado fotón. También funciona al revés: si un fotón se acerca a un átomo que podría usar algo de energía extra, el átomo puede absorber el fotón. Cuando los científicos comenzaron a medir con precisión los espectros, una de las cosas que los confundió fue que muchos espectros eran discontinuos. Es decir, cuando se quemaba el sodio, su espectro no era una extensión uniforme de luz amarilla: eran un par de franjas pequeñas y claras de color amarillo. Y todos los demás átomos son de la misma manera. Es como si los electrones en los átomos solo pudieran absorber y emitir un rango muy estrecho de energías, y ese resultó ser exactamente el caso.

Niveles de energía

El descubrimiento de que los electrones en un átomo solo puede emitir y absorber niveles de energía específicos es el corazón del campo de la mecánica cuántica. Puedes pensar en esto como si un electrón estuviera en una especie de escalera alrededor del núcleo de su átomo. Cuanto más alto en la escalera, más energía tiene, pero nunca puede estar entre los escalones de la escalera, tiene que estar en un paso u otro. Esos pasos se llaman niveles de energía. Entonces, si un electrón está en un nivel de energía alto, puede deshacerse de la energía extra al caer a cualquiera de los niveles más bajos, pero no en cualquier punto intermedio.

¿Dónde están los niveles de energía?

Un átomo permanece unido porque el núcleo en su centro está cargado positivamente y los electrones zumbantes están cargados negativamente. Las cargas opuestas se atraen entre sí, por lo que los electrones tienden a permanecer cerca del núcleo. Pero la fuerza del tirón depende de cuántas cargas positivas haya en el núcleo y de cuántos otros electrones giren, bloqueando los electrones más externos para que no sientan la atracción del núcleo positivo. Entonces, los niveles de energía en un átomo dependen de cuántos protones hay en el núcleo y cuántos electrones orbitan alrededor del núcleo. Pero cuando un átomo tiene una cantidad diferente de protones y electrones se convierte en un elemento diferente.

Espectros y elementos

Como cada elemento tiene una cantidad diferente de protones en el núcleo, el nivel de energía de cada elemento es único. Los científicos pueden usar esta información de dos formas principales. Primero, cuando una sustancia obtiene energía extra, como cuando se pone sal en una llama, los elementos en la sustancia a menudo se deshacen de esa energía emitiendo luz, llamada espectro de emisión. En segundo lugar, cuando la luz viaja a través de un gas, por ejemplo, el gas puede absorber parte de esa luz; es un espectro de absorción. En los espectros de emisión, aparecerán líneas brillantes correspondientes a la diferencia entre los niveles de energía de los elementos, donde en un espectro de absorción, las líneas serán oscuras. Al observar el patrón de líneas, los científicos pueden determinar los niveles de energía de los elementos en la muestra. Como cada elemento tiene niveles de energía únicos, los espectros pueden ayudar a identificar elementos en una muestra.