O que a luz de elementos e moléculas pode nos dizer?

Durante meu mestrado fui assistente do laboratório de física moderna para o pessoal da graduação. Esse é um dos laboratórios mais legais, na minha opinião. Então peguei os dados de um dos experimentos para vir mostrar aqui algumas coisas fascinantes sobre s luz e os elementos químicos. Vou fazer uma série de 3 posts em sequência sobre esse tema.

O experimento em questão é o de espectros atômicos e moleculares. Nele, temos várias lâmpadas de gás, com diversos elementos diferentes dentro (hidrogênio, hélio, argônio…) e algumas moléculas (CO$_2$, H$_2$O), além de alguns LEDs. O experimento é basicamente coletar e analisar os espectros destes objetos. Mas pera ai… o que é o espectro?

O espectro é o conjunto de “cores” emitidas pela lâmpada, quando uma corrente elétrica passa por ela. Aqui eu digo “cores” porque a luz emitida não está restrita ao espectro do visível, a lâmpada pode emitir luz no ultravioleta ou infravermelho por exemplo

Brevemente então, como ocorre essa emissão de luz? Dentro dos átomos, os elétrons possuem órbitas quantizadas, ou seja, só podem estar com quantias fixas de energia. No átomo de hidrogênio por exemplo, a energia mais baixa que o elétron pode ter é de -13.6 elétron-volts (eV). Elétron-volt é apenas a unidade de medir a energia, assim como Joules ou Calorias, não se preocupem com ela. Não esquentem também com esse sinal de menos na energia, apenas indica que nossa referência de 0 é o caso em que o elétron se desprendeu do átomo. Então em todas as órbitas, onde o elétron não tem energia para se desprender, a gente escreve e energia com um sinal de menos. O próximo nível de energia do elétron, é -3.4 eV. O elétron não pode ocupar uma órbita cuja energia esteja entre -3.4 e -13.6 eV, só uma dessas duas.

Ta certo, quando a corrente elétrica passa pelo gás dentro da lâmpada, os elétrons da corrente batem nos elétrons dos átomos e dão para eles mais energia, o que faz eles saírem de uma órbita e irem para outra de energia mais alta.

Mas os elétrons tendem a ocupar a órbita de energia mais baixa, isso faz com que eles percam essa energia que ganharam para mudar sua órbita. E essa energia perdida sai na forma de que?

LUZ!

Daí vem a luz das lâmpadas de gás. Como as órbitas tem energias bem específicas