区分元素

150年前，普通科学家的实验室看起来与我们今天的实验室大不相同。那么，除了观察之外，科学家们究竟是如何测试每种元素的呢?在法医科学家Leesa Ferguson的帮助下，凯蒂·海勒前往安格利亚罗斯金大学寻找答案……

Leesa -嗯，他们通常使用火焰测试。他们所做的就是把不同的元素放入火焰中火焰会发出独特的颜色这就是他们识别不同元素的方法。

凯蒂-还记得学校科学课上的本生灯吗。你有一个气体入口和一个控制气流的阀门，它们一起燃烧，产生干净的火焰。对火焰测试至关重要。这是化学家罗伯特·本生在20世纪50年代左右特别感兴趣的东西。

Leesa -他最初开始进行火焰测试，但他发现他使用的火焰有时会产生烟尘，不一定是干净的火焰。有时还会干扰他想要得到的元素的实际颜色。所以他发明了本生灯因为它给你一个不发光的火焰因此不会干扰实际元素在火焰中产生的颜色。

凯蒂-那么火焰测试到底是怎么进行的呢?燃烧一个元素如何告诉你它是什么?

Leesa -所以典型的情况是，当元素被加热时，元素中的电子被激发，它们从我们所说的基态到一个更高的能态。所以当它们处于更高的能量状态时，它们会回落到基态，当它们这样做时，它们会发出光的波长，彩色的光，这是元素的特征。

凯蒂:就像跳一样，跳上跳下?

莉莎:确实有点像在梯子上跳上跳下。在梯子上，你可以从一级阶梯爬到下一级阶梯，但你不能在两级阶梯之间走动。这有点像能级。

凯蒂:梯级之间的距离对每个元素来说是分开的吗?

莉莎:确实是。所以当它们真正发出光的时候它会回落到基态，这就是元素的特征。

凯蒂:好了，这是理论，现在让我们把它付诸实践。一旦我和丽莎穿上实验服安全眼镜和手套，我们就被困住了。我们有一个本生灯，一些火柴，现在把煤气放上，让我们把这个本生灯点燃。现在你拿着什么，你要做什么?

Leesa -这只是一个工具，它能让我们把我们正在看的元素，在这个例子中是铜。进入火焰。

凯蒂:但是你要清洗它以确保我们没有受到任何污染?

Leesa -是的，我首先要用盐酸清洗它，然后把工具放入火焰中。所以它只是确保任何可能存在的污染物都不再存在。

凯蒂-所以你不是在做错误的火焰测试?

Leesa -当然。

凯蒂-所以你有一些铜片。我猜这个想法是把它附着在这个工具上然后看看当你把它放在火焰里会发生什么。哦，看起来确实有点绿，或者是另一种蓝色。

丽莎:你可以看到一种典型的绿色火焰，这种火焰实际上是铜的。

凯蒂-烟花就是这样放的吗?因为烟花有很多不同的颜色，也有很多不同的金属。

莉莎:是的，烟花通常含有很多不同的金属，当它们被加热时，它们实际上会释放出不同波长的能量，也就是你实际看到的不同颜色。

火焰测试在行动，非常昂贵的火焰测试。所以你通常会看到其他元素的什么颜色?

Leesa -所以钠通常会变成一种强烈的黄色，钾是丁香色，锂则是红色。这是一些基本元素。本生和基尔霍夫利用火焰试验和分光镜结合，发现了铯和铷两种新元素。

Katie - Leesa提到的分光镜包含在Think Pink Floyd的《月亮的黑暗面》专辑封面上的一个棱镜，它可以将光分解成所有的彩色成分。他们发现，光谱中出现的线条与元素发出的光相对应。每种元素发出的光的波长都是独一无二的，这就是为什么光谱通常被认为是元素的指纹。那么，科学家们现在是否在使用同样的技术来识别元素呢?

Leesa -我们通常不使用火焰测试，我们有更先进的技术，我们倾向于使用这些技术来尝试识别样品中存在的元素。我们使用的典型技术叫做电感耦合等离子体光学发射光谱或ICP-OES。

凯蒂-我明白为什么它有一个首字母缩略词carry on。

Leesa -所以基本上它是在相同的前提下工作的。假设你有一个纯元素的样本，实际的仪器会把样本吸进一种叫做等离子体的东西。它的温度非常高。所以当样品在等离子体中时，实际的溶剂会蒸发掉，实际的元素会被雾化。发生的是元素中的电子再次被激发，从基态上升到更高的能态每个元素都不一样。当它们回落到基态时这些元素会发出特定波长的光。

事实证明，在光谱学中，不仅仅是火焰或等离子体可以用来激发电子。其他波长或部分的电磁波谱也会参与进来。

Leesa -所以电磁频谱的不同部分有不同的能量。所以像x射线这样的东西是非常有能量的，当你用x射线照射样品时，它的能量是如此之大，在x射线荧光技术中，它导致的实际上是来自核心的电子，内部的电子，其中一个实际上是从你所看到的样品中射出的。因为这个电子是从核中射出的，其中一个外层的电子掉下来，填满了那个空的空间，因为这个电子已经从一个能量更高的外层轨道进入了一个能量更低的内部轨道，它发出了x射线，这是你所看到的元素的特征。