원자 스펙트럼

원자 스펙트럼

거리를 장식하는 네온사인이나 가로등으로 이용하는 수은등, 나트륨등은 흑체복사의 백색광과 달리 특정한 색채로 보인다. 이것은 그 속의 특정 기체가 방출하는 빛에 몇몇 특정한 파장의 성분만이 포함되었기 때문으로 이를 방출스펙트럼이라 부른다.

위 그림은 네온의 방출스펙트럼으로 붉은 색으로 나타나는 네온사인을 통해서 볼 수 있다. 이 붉은 색에는 실제로 위와 같이 많은 선스펙트럼이 포함되어 있는 데 이를 분광기를 통해서 파장별로 분해해 보면 위와 같이 날카로운 몇 개의 선으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 헬륨-네온 레이저의 경우는 이중 632.8nm의 단색광을 '증폭'한 것으로 이 파장이 극단적으로 강하게 나와서 이 네온사인의 겉보기 색과는 약간의 차이를 가지게 된다.

한편 이들 기체를 낮은 온도로 하고 이에 백색광을 통과시키면 이제는 방출스펙트럼에서 날카로운 선의 부분이 빠진 검은 띠를 중간중간에 가지고 있는 흡수스펙트럼이 생긴다.

원소에 따라 특정한 성분의 흡수와 방출스펙트럼을 가지고 있다는 것은 천문학, 화학 등 여러 분야에서 물질의 구성성분을 알아내는 데 실용적으로 널리 쓰이게 되었지만 왜 그런가에 대한 그럴듯한 답은 20세기가 되어서야 나오게 되었다. 그러기 수십년전이 1884년 스위스의 과학교사인 발머(J. J. Balmer)는 수소 기체 방전관에서 나오는 파장값의 자료, 즉 스펙트럼(spectrum)을 분석해본 결과 다음과 같이 약간은 묘하지만 비교적 단순한 관계가 성립하는 것을 알게 되었다. \[ \frac{1}{\lambda} = R \left( \frac{1}{2^2} - \frac{1}{n^2} \right) \] 여기서 $n$의 값은 3, 4, 5 등이고 $R=1.097\times 10^{-2}\mathrm{nm^{-1}}$으로 이를 뤼드베리 상수(Rydberg constant)라고 한다. 이 파장 값은 주로 가시광선 영역의 것으로 발머 계열이라고 한다.

한편 자외선이나 적외선 영역까지에 대하여 수소 기체의 방전관에서 나오는 파장값을 측정해 보니 발머계열을 포함한 모든 계열의 파장값은 위 식에서 2가 임의의 자연수 $n_f$ 일 수 있는 다음 관계를 얻게 되었다. \[ \frac{1}{\lambda} = R \left( \frac{1}{n_f^2} - \frac{1}{n_i^2} \right) \] 여기서 정수로 $n_i$와 $n_f$를 쓴 것은 이의 양자이론에서의 양자수와 대응시키기 위해서다. 다른 기체 방전관에서도 수소의 경우처럼 단순한 관계식으로 분해해 낼 수는 없지만 역시 특정한 파장의 빛만을 방출하는 것을 원자와 그것을 방출하는 빛 사이에 어떤 관계가 있는지를 알아내는 것은 1900년대 초반의 물리학계의 최대의 숙제가 되었다.

_ 헬륨-네온 레이저_ 흑체복사_ 가시광선_ 양자수_ 분광기_ 온도