방출 스펙트럼

아인슈타인의 연구는 19세기 물리학에 남은 또 다른 수수께끼인 원자의 방출 스펙트럼을 푸는 방법을 제시하였다.

 

17세기 뉴턴이 태양 광선은 여러 색의 성분이 모여 백색광을 생성한다는 사실을 보인 이후로 많은 화학자와 물리학자들은 방출 스펙트럼, 즉 물질에 의하여 방출하는 연속 또는 선 스펙트럼의 특성에 대하여 연구해 왔다. 

어떤 물질의 방출 스펙트럼은 그 물질 시료에 열에너지 또는 다른 형태의 에너지(만약 그 물질이 기체라면 고전압 전기방전과 같은)를 가함으로써 얻을 수 있다.

 

고온 상태에서 바로 꺼낸 "붉은색의 뜨거운” 쇠 막대는 독특한 빛을 낸다.

육안으로 식별 가능한 이 빛은 방출 스펙트럼 중에서 눈으로 감지할 수 있는 부분이다.
같은 쇠 막대의 온기는 방출 스펙트럼의 또 다른 부분인 적외선 영역을 나타내다.

태양이나 가열된 고체의 방출 스펙트럼에서 공통적인 현상은 양쪽 다 연속적인 모든 파장의 가시 광선 스펙트럼이 나타난다는 것이다(그림 7.3에서 가시광선 영역 참조)

한편, 기체 상태에 있는 원자의 방출 스펙트럼은 빨간색에서 보라색까지 연속적으로 퍼진 파장들이 보이지 않는 대신, 가시광선 영역의 특정 부분에서 밝은 선 스펙트럼을 생성한다.

이와 같은 선 스펙트럼(line spectrum)은 특정 파장에서만 일어나는 빛의 방축이다.

그림7.5 (a) 원자와 분자의 방출 스펙트럼을 연구하는 실험장치. 연구대상인 기체는 2개의 전극을 포함하는 방전관 속에 들어 있다. 전자들이 음극에서 양극으로 흐르면서 기체와 충돌한다. 이 충돌 과정으로 원자(또는 분자)들이 빛을 방출한다. 방출된 빛은 프리즘에 의해 각 구성 성분 색들로 분리된다. 각 성분 색은 그 파장에 따라 특정한 위치에 초점을 맺게 되고, 사진 건판 위의 슬릿에 색채 상을 만들게 된다. 이 색채상을 스펙트럼 선이라고 부른다. (b) 가시광선 영역에서 수소의 선 방출 스펙트럼. 

그림 7.5는 방출 스펙트럼을 연구하는데 사용하는 방전관의 개략적인 그림이다.

모든 원소는 독특한 방출 스펙트럼을 갖는다. 지문으로 사람을 구별하는 것처럼, 원자 스펙트럼에서 특징적인 선들은 미지 원자들을 확인하는 화학 분석에 사용할 수 있다

알려진 원소의 방출 선 스펙트럼이 미지 시료의 방출 스펙트럼의 선들과 정확하게 일치할 때, 그 시료를 확인할 수 있다.