Telechimie

Raze care intră, raze care ies

Lumina vizibilă. Pot să îi alătur toate adjectivele laudative din DEX și tot nu o să îmi poți reproșa că exagerez și că o supraestimez. O folosim drept compliment (“ești lumina ochilor mei”) și este simbolul pentru tot ce e mai pur, mai bun și mai curat pentru lumea asta și restul lumilor imaginare. Nu-i greu de văzut de ce: pentru specia umană, simțul văzului este cel mai important simț prin care putem analiza mediul înconjurător. De aceea și ochii sunt o componentă importantă ale complimentelor (cum e cel de mai sus), pentru că sunt organele care primesc lumină, o receptează, o trimit la creier să o analizeze și care apoi ne spune dacă în față avem o pizza diavola sau o pizza vegetariană.

Aristotel este primul care a sugerat (în cartea sa De Anima) că percepția vizuală funcționează în felul următor: razele (azi știm că sunt fotoni și unde electromagnetice) de lumină reflectate de un corp din fața ta ajung la ochiul tău, trecând prin pupilă. Dar nu era nimic sigur. La momentul respectiv nu avea cum să dovedească asta. Abia mai încolo Ibn al-Haytham a dovedit experimental în cartea sa Kitab al-manazir (Cartea Opticii) că într-adevăr așa stă treaba. Chestia asta se numește teoria intromisiei și este un fapt universal cunoscut în ziua de azi.

Dar pe vremea lui Aristotel nu era așa de mare certitudinea, iar pe lângă școala de gândire cu teoria intromisiei, mai exista una care spunea că în interiorul ochilor noștri avem un foc (eram încă în timpul celor patru elemente clasice, când se considera că Universul e făcut din apă, aer, foc și pământ), iar atunci când ne uităm la un obiect ies niște raze din ochii noștri, care pică pe acesta, ajutându-ne să îl vedem. Deși ideea asta exista deja din secolul al V-lea î.e.n, Euclid a fost primul care a folosit gălușca asta ca idee științifică (i.e. prima teorie a viziunii) în cartea sa Optika. Chestia asta se numește teoria emisiei (extromisiei), care azi nu mai e la fel de populară cum era în Antichitate. Ce? Tu ai auzit de ea până în momentul ăsta?

Cu toate acestea, după cum descriu Winer et alumni în studiul lor Fundamentally misunderstanding visual perception: Adults’ beliefs in visual emissions, cam 50% din adulții din ziua de azi cred în teoria emisiei. Ceea ce e dubios.

Unde se trage linia

Ce îți spune lumina care pică pe portocala aia din fața ta și care apoi e reflectată și receptată de ochii tăi? Că ai în față o portocală (pentru că are culoarea portocalie), este sferică, iar textura seamănă cu a unei portocale. Dar lumina poate să facă mult mai multe de atât! Poate să îți spună care e compoziția chimică exactă a unor obiecte pe care niciodată nu o să le vizitezi sau atingi: de la stele precum Soarele și atmosferele diverselor planete, până la nori giganți de praf și gaze precum Nebuloasa lui Orion. Putem să aflăm exact din ce elemente chimice sunt făcute doar uitându-ne la lumina emisă sau reflectată de ele.

Iar asta putem să o facem numai datorită lui Robert Bunsen și Gustav Kirchoff (chimiști, amândoi), mari șefi și faraoni, care au inventat unul din cele mai importante instrumente din toată știința trecută și prezentă: spectroscopul. Pe la sfârșitul secolului al XIX-lea, ei și-au dat seama că fiecare element chimic are o anumită semnătură unică, una care se vede în lumina reflectată sau emisă de acesta. Efectiv nu le poți confunda, nici una nu seamănă cu cealaltă. Spectroscopul este pur și simplu un instrument cu o prismă din sticlă în mijloc, care are rolul de a desface lumina primită de la o sursă în părțile ei componente (curcubeul ROGVAIV) și de a o proiecta pe un ecran. De ce am vrea să facem asta și cu ce ne ajută? Îți spun imediat.

Uită-te la imaginea de mai sus și să zicem că ai și tu ceva de genul ăsta: o sursă de lumină (chestia aia numită hot blackbody, care poate fi un bec), o prismă de sticlă și un ecran. Avem trei feluri în care ne putem folosi de prismă:

Spectruul continuu 

Dacă pui o prismă din sticlă în calea becului (cazul a), aceasta o să desfacă lumina în părțile ei componente, adică în curcubeul ROGVAIV. Acesta este un spectru continuu. 

Spectrul cu linii de absorbție

Dacă pui între prismă și bec un gaz rece (cazul b), se va întâmpla ceva ciudat: lumina becului va trece prin gaz, care va absorbi anumiți fotoni, lăsând doar o parte din ei să treacă. Pe ecran va apărea curcubeul, dar acesta va fi întrerupt de niște linii negre care reprezintă fotonii lipsă, absorbiți de gaz. Aceasta este semnătura gazului respectiv. În funcție de câte și unde apar liniile negre, putem deduce foarte ușor despre ce element chimic vorbim. Acesta este spectrul cu linii de absorbție. 

Spectrul cu linii de emisie 

Dar hai să facem altceva. Ca în cazul c: luăm prisma și o dăm mai acana, astfel încât singura lumină pe care o primim este cea a gazului încălzit de lumina becului. Adică dacă te uiți prin prismă, vezi doar lumina emisă de gaz. Acum spectrul arată cu totul diferit. În loc să avem niște linii negre pe un fundal de curcubeu, avem niște linii colorate pe un fundal negru. Diferența e că lumina nu provine de la becul care trimite fotoni printr-un gaz rece, ci gazul însuși este încălzit și emite de unul singur lumină. Aceste este spectrul cu linii de emisie.

Acum, indiferent că vezi semnătura elementului chimic printr-un spectru de absorbție sau spectru de emisie, ea este aceeași. Pur și simplu în primul caz elementul respectiv dă mai departe lumina emisă de o sursă, iar în al doilea caz elementul chimic este el însuși sursa de lumină. Firește, oamenii de știință (astronomii și chimiștii, cu precădere) folosesc niște metode mai avansate prin care pot afla compoziția chimică a stelelor și galaxiilor, dar ce ți-am povestit eu mai sus este baza.

Cu ajutorul acestei tehnici am reușit să aflăm, de exemplu, care este compoziția chimică a atmosferei Hiadelor, un roi de stele aflat la 153 ani-lumină de noi. Nici măcar n-a fost nevoie să călătorim până acolo (ne-ar lua 153 de ani ca să ajungem, mergând cu viteza luminii) ca să aflăm că stelele din acest roi conțin carbon, sodiu, fier, nichel, etc! Am descoperit toate chestiile astea din fotoliu, ca să zic așa. Fotografia de la feature image a acestei postări este făcută printr-un spectrometru îndreptat către Hiade. Vezi dungile alea curcubeu? Dacă te uiți atent, o să vezi și niște linii de absorbție pe acolo.

Tot datorită spectroscopiei am descoperit și elementul cu numărul 2, adică heliul. Mă rog, a fost descoperit de astronomul francez Jules Janssen, în timpul unei eclipse de Soare din Guntur, India, pe 18 august 1868. Partea amuzantă este că abia peste 14 ani a fost descoperit și pe Pământ de către fizicianul Luigi Palmieri. Până atunci se credea că există doar în spațiu, de aceea elementul ăsta chimic a primit numele de helium, de la Helios, numele grecesc al Soarelui.

Ah, și încă ceva, semnătura unică a unui element nu se regăsește doar în spectrul luminii vizibile, ci poți găsi linii de emisie sau absorbție și în infraroșu sau ultraviolete. Dar în postarea de față este vorba despre lumina vizibilă, așa că normal că ne-am axat pe ea. Și dacă nu mă crezi, uite mai jos semnăturile spectrale (linii de emisie) ale fiecărui element chimic (sursa aici). După cum vezi, absolut nici una nu e la fel (deși probabil par așa de departe).

Stairway to the heavens

Cea mai amuzantă fază cu aceste semnături ale elementelor chimice e că le-am descoperit și ne-am folosit de ele cu mult mult timp înainte să ne dăm seama ce le produce. Revelația s-a produs în momentul în care a venit Niels Bohr cu noul său model atomic (am vorbit despre asta în Top Model): atomul era constituit dintr-un nucleu (în mijlocul atomului), în jurul căruia stăteau niște electroni, pe niște orbite circulare. Fiecare astfel de orbită (numită nivel energetic) poate conține un număr maxim de electroni, iar electronii pot sta numai și numai pe aceste nivele energetice. Niciodată între ele.

După cum era de așteptat, la fel cum e cazul cu absolut orice lucru și fenomen din Universul ăsta drăguț, explicația ține de particule atomice sau subatomice. Vezi tu, electronii de pe atomi pot sări de pe un nivel energetic pe un alt nivel energetic. Asta dacă primesc energia care trebuie. N-ai înțeles mare lucru? Înțeleg perfect. Este un concept care ține de fizica cuantică și e destul de abstract. Avem de nevoie de o analogie…de niște scări, niște trepte.

• Acuma, imaginează-ți că te afli la baza unor trepte.
• Tu ești un electron, iar fiecare treaptă este un nivel energetic al atomului (orbitele alea pe care stau electronii în modelul de mai sus).
• Vrei să sari pe o treaptă: poate pe prima treaptă, pe a treia treaptă sau poate chiar pe ultima treaptă din capul scărilor.
• Ce știm este că nu poți ateriza nicăieri între trepte și poți sta doar pe o singură treaptă la un moment dat.

Ok? Ok.

Bun, acum că te afli la baza scărilor, vrei să ajungi pe prima. Ce faci? Îți iei avânt și sari și aterizezi pe prima treaptă. Cât ai făcut asta, însă, ai avut nevoie de o anumită cantitate de energie. Te întorci la baza scărilor și acum sari pe a treia treaptă. Tot așa, ai avut nevoie de o anumită cantitate de energie ca să ajungi acolo, dar ceva mai multă decât ai avut nevoie ca să ajungi pe prima treaptă. Dacă vrei să sari în capul scărilor (chiar și dacă ai o trambulină) ai nevoie de mai multă energie ca în primele două dăți.

Pe orice treaptă ai vrea să sari, ai nevoie de o anumită cantitate de energie ca să ajungi acolo. Nu poți sări în capul scărilor cu aceeași cantitate de energie pe care o folosești ca să ajungi pe prima treaptă, nu? Ai nevoie de mai mult avânt. Așa se întâmplă și cu electronii: au nevoie de o anumită cantitate de energie ca să ajungă pe un anumit nivel energetic (pe o anumită treaptă). Cu cât nivelul energetic (treapta) este mai sus, cu atâta e nevoie de mai multă energie. Chestia asta este perfect valabilă și atunci când coboară, că nu toți electronii se află pe primul nivel energetic. Unii se află mai sus, iar când sunt agitați, coboară. Singura chestie deosebită la electroni e că dacă nu primesc energia potrivită pentru a sări pe un nivel energetic, pur și simplu or să rămână acolo.

În momentul în care un gaz de hidrogen (de exemplu) primește căldură, lumină sau electricitate, electronii atomilor de hidrogen sunt loviți de fotoni care au energie. Dacă un foton lovește un electron de hidrogen și are energia corectă, electronul sare pe un alt nivel energetic.

Aha! Dar aici e șmecheria! În urma saltului, electronul ajunge pe un nivel energetic superior, dar devine agitat și vrea să se întoarcă în locul său inițial. Neapărat. Și fix asta face, moment în care emite un foton care are aceeași energie cu cea pe care a primit-o, și care corespunde unei culori.

Liniile de emisie de care am vorbit în capitolul trecut reprezintă energia (fotonul) eliberată de electroni în timp ce se întoarce la locul lui. Liniile de absorbție reprezintă energia primită de electroni, pentru a putea face saltul către un anumit nivel energetic.

Deci practic, electronul primește energie, se mută, își dă seama că nu îi place unde s-a mutat, se enervează, ne spune “știi ceva? ia-ți energia înapoi și lasă-mă în pace”, dă înapoi energia primită și revine în locul său inițial. Având în vedere că fiecare element chimic are un anumit număr de electroni dispuși într-un anumit fel, normal că în funcție de energia pe care o primesc, aceștia se plimbă diferit de la un nivel energetic la altul. De aici și semnătura unică a fiecărui element chimic.

Este că e minunată lumina? Și câte chestii se întâmplă acolo, o nebunie! Ca de obicei, situația nu e chiar atât de simplă nici când vine vorba de spectroscopie, nici când vine vorba de fizica cuantică, dar ce ți-am povestit eu aici e destul ca să poți înțelege cum am reușit să facem o chestie uimitoare: să descoperim exact din ce elemente chimice sunt formate stelele și galaxiile aflate la sute și chiar mii și zeci de mii de ani lumină de noi. Wow.