물리학 고2 빛과 물질

원자 스펙트럼

원소마다 고유한 선 스펙트럼이 나타나는 이유를 전자의 에너지 준위 전이와 방출 광자 에너지로 설명한다.

원소마다 에너지 준위의 배열이 달라, 방출하거나 흡수하는 빛의 파장이 그 원소만의 고유한 선으로 나타나는 것입니다.

선 스펙트럼은 원소의 지문입니다. 어떤 파장에 선이 있는지만 보면 그 빛을 낸 물질이 무엇인지 알 수 있어서, 손에 쥘 수 없는 별의 성분도 스펙트럼만으로 알아냅니다.

쉽게 말하면

보어 원자 모형에 따르면 전자가 준위 사이를 옮길 때 딱 그 차이만큼의 광자만 오갑니다. 준위가 몇 개뿐이니 그 차이로 만들 수 있는 광자 에너지도 몇 개뿐이고, 따라서 나오는 빛의 파장도 몇 개뿐입니다. 무지개 같은 연속된 띠가 아니라 몇 줄의 가느다란 선이 되는 이유입니다.

원소가 다르면 핵의 전하와 전자 수가 다르므로 준위의 높이 배열도 완전히 달라집니다. 그래서 선이 찍히는 위치가 원소마다 다르고, 서로 겹치지 않는 고유한 패턴이 됩니다.

스펙트럼은 크게 세 가지 모습으로 나타납니다. 뜨거운 고체나 액체, 밀도가 높은 기체는 파장이 이어지는 연속 스펙트럼을 냅니다. 들뜬 기체 원자가 스스로 빛을 내면 그 원소의 파장에서만 밝은 선이 보이는 방출 스펙트럼입니다. 반대로 연속 스펙트럼의 빛이 차가운 기체를 통과하면, 그 기체가 자기 준위 차에 해당하는 파장만 골라 흡수해 그 자리에 검은 선이 남는 흡수 스펙트럼이 됩니다.

이 세 번째가 천문학의 무기가 됩니다. 태양 빛을 잘게 펼치면 곳곳에 검은 선이 나 있는데, 그 위치를 실험실의 원소 선과 맞춰 보면 태양 대기에 어떤 원소가 있는지 알 수 있습니다 — 태양 스펙트럼과 원소 분석이 그것이고, 같은 방법을 다른 별에 적용한 것이 별의 스펙트럼과 분류입니다. 헬륨은 지구에서 발견되기 전에 태양 스펙트럼에서 먼저 정체가 드러난 원소입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

네온사인의 색

유리관 속 기체에 높은 전압을 걸면 전자가 기체 원자와 충돌해 원자를 높은 준위로 올려놓습니다. 곧 전자가 원래 준위로 떨어지며 그 원소 고유의 파장만 방출합니다. 그래서 관 속 기체를 바꾸면 색이 바뀝니다 — 빛을 내는 것은 유리관이 아니라 기체입니다.
예시 2

불꽃 반응

나트륨을 불꽃에 넣으면 노란색, 칼륨은 보라색 계열로 보입니다. 열에너지가 전자를 들뜨게 하고, 되돌아올 때 그 원소의 선 스펙트럼이 나오기 때문입니다. 눈에 보이는 색은 그 원소의 가장 밝은 선의 색입니다.
예시 3

태양 스펙트럼의 검은 선

태양 내부에서 나온 연속 스펙트럼이 상대적으로 차가운 태양 대기를 지나면서, 대기 속 원소들이 자기 파장의 빛을 골라 흡수합니다. 그 자리에 남은 검은 선의 위치가 태양 대기의 성분표입니다. 수십억 킬로미터 떨어진 별의 화학 조성을 시료 없이 알아내는 방법이 바로 이것입니다.

방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼

구분	방출 스펙트럼	흡수 스펙트럼
언제 생기나	들뜬 기체 원자가 스스로 빛을 낼 때	연속 스펙트럼의 빛이 차가운 기체를 통과할 때
보이는 모습	검은 바탕에 밝은 선 몇 개	연속된 띠 위에 검은 선 몇 개
전자의 움직임	높은 준위 → 낮은 준위 (광자 방출)	낮은 준위 → 높은 준위 (광자 흡수)
선의 위치	같은 원소라면 두 스펙트럼에서 정확히 같은 파장	같은 원소라면 두 스펙트럼에서 정확히 같은 파장

자주 하는 오해

흡수선과 방출선이 서로 다른 파장에 생긴다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움흡수와 방출은 반대 과정이니 선이 찍히는 자리도 서로 다를 것이다

실제로는같은 원소라면 흡수선과 방출선은 정확히 같은 파장에 나타납니다.

둘 다 '같은 두 준위 사이의 에너지 차이'로 정해지기 때문입니다. 올라갈 때 삼키는 에너지와 내려올 때 뱉는 에너지가 같은 값이니 파장도 같습니다. 실험실의 방출선 사진과 별의 흡수선 사진을 겹쳐 놓고 위치를 맞추는 방식으로 별의 원소를 알아내는 것도 이 성질 덕분입니다.

흡수한 빛을 어차피 다시 내놓는데 왜 검은 선이 보이냐고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움기체가 흡수한 광자를 곧 다시 방출하니 결국 없던 일이 되고, 검은 선은 생길 수 없다

실제로는다시 방출하기는 합니다. 다만 사방으로 흩어지므로, 원래 진행 방향으로 우리 눈에 오는 그 파장의 빛은 크게 줄어듭니다.

흡수는 우리를 향해 오던 빛에서만 광자를 빼앗고, 재방출은 모든 방향으로 골고루 뿌립니다. 그래서 정면에서 보면 그 파장이 '어두워진' 검은 선이 되고, 같은 기체를 옆에서 보면 오히려 그 파장의 밝은 방출선이 보입니다. 빛이 사라진 것이 아니라 방향이 흩어진 것입니다.