스펙트럼의 종류 (연속, 방출, 흡수 스펙트럼)

스펙트럼 (Spectrum)

광학(Optics) 분야에서 스펙트럼이라는 것은 일반적으로 빛을 프리즘이나 분광기를 통해 색상별로 분해하는 것을 말합니다. 다시 말하면 여러 파장의 빛들이 섞여 있는 것을 파장에 따른 빛의 띠로 나눈 것입니다. 그리고, 스펙트럼에서 흡수와 방출이 일어나는 것은 원자에서 전자의 에너지가 양자화되어 있는 것과 관련이 있는데요, 전자의 에너지가 양자화되어 있다는 말은 전자는 특정 궤도에만 존재할 수 있기 때문에 그 궤도에 해당하는 에너지값만을 불연속적으로 가지는 것을 뜻합니다. 원자핵에서 멀수록 전자의 에너지 준위가 높고요. 스펙트럼이라는 말을 아래 포스팅에 우주의 원소 분포를 관측하는 것에서 한번 접해본 적이 있을 것인데요, 스펙트럼에 대해서 정리를 해보겠습니다.

2023.11.27 - [과학] - 우주의 원소 분포, 수소와 헬륨의 질량비 3:1

우주의 원소 분포, 수소와 헬륨의 질량비 3:1

 

스펙트럼의 종류

스펙트럼의 종류를 설명하기 이전에 아래 이미지의 전자의 에너지 준위에 대해 한번 살펴보시기 바랍니다. 에너지라는 것은 질량을 기반으로 빛, 열, 전기 등으로 표현이 될 수가 있죠. 따라서 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전자가 이동할 때 빛이 방출되고 그 반대로 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 이동하게 되면 빛을 흡수합니다.

 

전자의 에너지 준위

 

 

 

연속 스펙트럼 (Continuous spectrum)

광원에서 빛을 방출하고 이 빛이 프리즘이나 분광기를 통과하게 되면 빛의 띠가 모든 파장에서 연속적으로 나타나게 됩니다. 이를 연속 스펙트럼이라고 합니다.

 

방출 스펙트럼 (Emission spectrum)

선 스펙트럼이라고도 합니다. 특정한 파장에 해당되는 방출선이 검은 바탕에 밝게 나타나게 됩니다. 고온의 기체를 빛이 통과하는 경우에 가열된 기체가 빛을 방출하게 되면 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이하게 되는데 이때 특정 파장의 빛을 방출하게 되므로 방출 스펙트럼이 만들어지게 됩니다.

 

흡수 스펙트럼 (Absorption spectrum)

특정한 파장의 빛들만 흡수되어 연속 스펙트럼 상에서 해당되는 파장의 위치에 검은색의 선으로 나타나게 되는 것이 흡수 스펙트럼입니다. 모든 파장의 빛들이 균등하게 혼합되어 있으면 흰색으로 보이게 되는데 이러한 빛을 백색광이라고 하고 이러한 백색광이 저온의 기체를 통과하게 되면 흡수되고 남은 빛에 의해 흡수 스펙트럼이 나타나게 됩니다. 이는 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이하게 되면서 특정 파장의 빛을 흡수하기 때문입니다.

 

스펙트럼의 종류, 연속 스펙트럼, 방출 스펙트럼, 흡수 스펙트럼, 이미지 출처: toppr.com

 

 

방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼

동일한 기체의 방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼에 나타나는 선의 위치는 정확하게 일치하게 됩니다. 다시 말해서 동일한 원소의 흡수선과 방출선은 같은 위치, 즉 같은 파장에서 나타나며 따라서 원자의 종류가 다르면 선의 위치도 달라지게 되는 것이죠. 우리가 별빛의 스펙트럼 분석을 통해 확인된 수소와 헬륨의 질량비가 빅뱅 우주론을 기반으로 예측한 질량비와 일치하면서 이것이 빅뱅 우주론의 증거가 되었다는 것을 연계해서 알고 있으면 되겠습니다.