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스펙트럼

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목차

1. 개요

스펙트럼은 라틴어 'spectrum'에서 유래한 용어로, 이미지, 환영, 유령 등의 의미를 지닌다. 물리학에서는 빛의 파장별 강도 분포를 나타내는 분광 스펙트럼을 의미하며, 광원, 반사, 투과, 흡수, 연속, 선, 흡수선 스펙트럼 등으로 구분된다. 또한, 시계열 분석에서는 주파수 영역에서의 함수를 스펙트럼이라고 하며, 화학에서는 시료에 가해진 자극과 응답 강도의 관계를 나타내는 것을 의미한다. 생물학에서는 항생제의 활성 범위를, 정신의학에서는 질환의 범위를 나타내는 데 사용되며, 수학에서는 행렬의 고유값 집합, 함수 해석학에서는 유계 작용소의 스펙트럼, 대수적 위상수학에서는 일반화된 코호몰로지 이론을 나타내는 대상으로 사용된다. 사회 과학에서는 경제적, 정치적 입장을 분류하는 데 활용되기도 한다.

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스펙트럼
지도 정보
기본 정보
프랑스어spectre
영어spectrum
일본어スペクトル (supekutoru)
정의
의미연속적인 범위의 값 (예: 물리학에서의 파장)
설명어떤 특성의 측정 가능한 범위 또는 연속체
물리학
빛빛의 파장 또는 주파수에 따른 분포.
전자기 스펙트럼전파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등을 포함하는 전자기파의 파장 또는 주파수 범위.
질량 스펙트럼질량 분석법에서 이온의 질량 대 전하 비율을 나타내는 스펙트럼.
주파수 스펙트럼신호의 주파수 성분 분포.
핵 자기 공명 스펙트럼원자핵의 자기 모멘트를 이용한 분광학 기술.
수학
행렬 스펙트럼행렬의 고유값 집합.
연산자 스펙트럼함수 공간에서 정의된 선형 연산자의 고유값 일반화 개념.
기타
용례다양한 분야에서 '연속적인 범위'나 '다양한 양상'을 나타내는 데 사용.
예시정치 스펙트럼: 정치적 견해의 범위
색상 스펙트럼: 색상의 연속적인 범위
자폐 스펙트럼 장애: 자폐 증상의 다양한 범위와 정도

2. 어원

라틴어 'spectrum'은 "이미지" 또는 "환영"을 의미하며, "유령"이라는 뜻도 포함한다.[6] 요한 볼프강 폰 괴테의 ''색채론''과 아르투어 쇼펜하우어의 ''시각과 색채에 관하여''에서 'spectrum'[Spektrum]이라는 단어는 유령 같은 잔상을 가리키는 데 사용되었다.

한국어 "스펙트럼"은 프랑스어 spectre프랑스어에서 유래하며, 영어 spectrum영어[스펙트럼]과 마찬가지로 라틴어 spectrumla[스펙트럼]이 어원이다. 이 단어는 "보다"를 뜻하는 라틴어 동사 specerela에서 파생된 "상(像)"을 의미한다(원래 의미는 "보이는 것", "나타나는 것").[6] 영어에서 "유령(망령)"을 뜻하는 specter영어[스펙터]와는 동어원이다.

3. 물리학

분광학에서는 분광기를 이용하여 전자기파(빛)를 파장별로 분해하여 그 강도 분포를 나타낸다. 이를 '''분광 스펙트럼'''이라고 한다. 분광 스펙트럼에는 대상 물질과 빛과의 관계에 따라, 그리고 스펙트럼 파형의 특징에 따라 여러 종류가 있다.

무지개

3. 1. 분광 스펙트럼

분광학에서 프리즘이나 회절격자와 같은 분광기를 이용하여 전자기파(빛)를 통과시킴으로써 얻어지는, 전자기파의 파장별 강도 분포를 '''분광 스펙트럼'''이라고 한다. 분광 스펙트럼에는 대상 물질과 빛과의 관계에 따른 종류와 스펙트럼 파형의 특징에 따른 종류가 있다.[1]

태양 광선이나 백열 전구의 빛을 분광기에 통과시키면 연속된 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 연속 스펙트럼에 열전쌍과 같은 검지기를 사용해서 측정하면 그 에너지 분포를 알 수 있는데, 적외선 쪽에도 에너지 분포가 있다는 것을 알 수 있다. 전열기에 전류를 통하면 처음에는 검붉은 빛에서 점차 밝은 빨강으로 변하고, 온도가 올라감에 따라 가시광선 영역이 강해진다. 이를 통해 연속 스펙트럼은 고온 물체에서 나온다는 것을 알 수 있다.[1]

3. 1. 1. 광원 스펙트럼

대상 물체가 방출하는 빛의 스펙트럼을 말한다.

3. 1. 2. 반사 스펙트럼

표준 광원에 대해 대상 물체에서 반사되는 빛의 스펙트럼을 말한다.

3. 1. 3. 투과 스펙트럼

표준 광원에 대해 대상 물체를 투과하는 빛의 스펙트럼을 말한다.

3. 1. 4. 흡수 스펙트럼

연속 스펙트럼을 갖는 빛을 어떤 물체에 통과시키면, 통과한 빛의 스펙트럼은 연속 스펙트럼의 일부가 흡수된 형태가 된다. 이것을 흡수 스펙트럼이라고 하며, 흡수되는 빛의 파장은 물질 고유의 특성이다. 결정체에 빛을 통과시켰을 때와 같은 경우에는 파장이 넓은 영역에 걸쳐 흡수 밴드가 나타난다. 일반적으로 흡수하기 쉬운 빛의 에너지(파장)는 물질에 따라 다르다. 흡수 스펙트럼은 직접 측정할 수 없고, 감산하여 계산한다.[1]

3. 1. 5. 연속 스펙트럼

열복사에 의한 빛은 모든 파장의 빛을 포함하고 있다. 이러한 빛을 프리즘으로 분광하면 연속적인 무지개색 무늬가 나타난다. 따라서 이러한 빛의 스펙트럼을 연속 스펙트럼이라고 한다.

3. 1. 6. 선 스펙트럼 (방출 스펙트럼)

기체가 채워진 방전관에 높은 전압을 걸어 주면 기체의 종류에 따라 고유한 색깔의 빛을 낸다. 이 빛을 분광기로 관찰하면 특정한 파장의 빛만 밝은 선으로 띄엄띄엄 나타난다. 이러한 스펙트럼을 선 스펙트럼이라고 한다.[1]

이온화 또는 여기된 원자에서 방출되는 빛은 원자 내부 전자의 에너지 준위가 양자화되어 있기 때문에 특정 파장에만 국한된다. 이러한 빛을 프리즘으로 분광하면 불연속적인 몇 개의 빛줄기가 된다. 이 빛줄기를 '''휘선'''이라고 하며, 휘선으로 이루어진 스펙트럼을 선 스펙트럼이라고 한다.[1]

방출 스펙트럼은 원자로부터 나오는 빛으로, 원자가 고유한 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 나타난다. 기체를 유리관에 넣어 마개를 막고 압력을 내린 전극에 고전압을 걸어서 방전하면, 네온 사인의 빨강이나 수은의 파랑 같은 기체 특유의 색으로 빛난다. 이 빛을 분광기로 나누면 많은 휘선이 나타난다. 철이나 구리의 극 사이의 빛에서도 마찬가지로 많은 휘선이 나타나는 스펙트럼이 관찰된다. 원자의 기체 또는 증기가 전자와 충돌해서 들뜨고 빛을 내놓으면 방출 스펙트럼의 강도에 변화가 생긴다. 그러나 원자가 자계나 전계 등 외부 영향이 없는 자연 상태에서 빛을 발할 때에는 파장이 매우 안정되어 일정한 값을 가진다. 이러한 방출 스펙트럼을 해석하면 원소의 여러 가지 상태를 알 수 있으며, 이는 원자 물리학 및 양자론의 기초가 되는 중요한 실마리 중 하나이다.[1]

3. 1. 7. 흡수선 스펙트럼

연속 스펙트럼을 방출하는 광원과 관측자 사이에 원자가 존재하면, 그 원자가 특정 파장의 빛을 흡수하여 여기되기 때문에, 그 파장에서의 강도가 감소한다. 이러한 빛을 프리즘으로 분광하면 연속적인 무지개색 무늬 속에 몇 개의 어두운 선(흡수선, 암선)이 나타난다. 흡수선을 가진 스펙트럼이 흡수선 스펙트럼이다.[3]

항성은 중심부의 핵융합 반응으로 빛나는 가스 구체이며, 그 분광학적 성질은 거의 흑체에 가깝다. 따라서 항성의 스펙트럼은 대략적으로 그 표면 온도의 흑체복사에 해당하는 연속 스펙트럼이 되며, 그 안에 항성 대기 중의 원자나 분자에 의한 흡수선 스펙트럼이 보인다. 그 흡수선 스펙트럼의 패턴에 따라 항성의 분류가 이루어진다. 이것을 스펙트럼 분류라고 한다. 태양도 항성의 하나이므로, 그 스펙트럼에는 흡수선이 보인다. 이 흡수선은 발견자의 이름을 따서 프라운호퍼 선이라고 불린다.[3]

3. 2. 항성의 스펙트럼

항성은 중심부의 핵융합 반응으로 빛나는 가스 구체이며, 그 분광학적 성질은 거의 흑체에 가깝다. 따라서 항성의 스펙트럼은 대략적으로 그 표면 온도의 흑체복사에 해당하는 연속 스펙트럼이 되며, 그 안에 항성 대기 중의 원자나 분자에 의한 흡수선 스펙트럼이 보인다. 그 흡수선 스펙트럼의 패턴에 따라 항성의 분류가 이루어진다. 이것을 스펙트럼 분류라고 한다. 태양도 항성의 하나이므로, 그 스펙트럼에는 흡수선이 보인다. 이 흡수선은 발견자의 이름을 따서 프라운호퍼 선이라고 불린다.

4. 일반화된 스펙트럼

분광 스펙트럼의 개념은 일반적인 파동으로 확장되었다.

4. 1. 시계열 분석

물리학이나 공학의 시계열 분석에서는, 분석 대상인 시간 영역에서의 시간의 함수(파형)로부터 주파수 영역으로의 변환(예를 들어 푸리에 변환)으로 얻어지는 주파수의 함수를 스펙트럼이라고 한다.

주파수 영역에서의 파워 밀도(진폭의 제곱)인 파워 스펙트럼 밀도(PSD)가 대표적이다. 분광학에서의 분광 스펙트럼은 전자기파의 파워 스펙트럼 밀도이다.

5. 화학

화학에서는 일반적으로 시료에 어떤 자극을 가했을 때, 그 자극과 응답을 특징짓는 양에 대한 응답 강도를 기록한 것을 스펙트럼이라고 한다.

흡수 스펙트럼을 스펙트럼이라고 하는 경우가 많지만, 이 문맥에서는 흡수 스펙트럼이란 “자극으로 전자기파를 사용하여 파장에 대한 흡수 강도를 기록한 것”이라고 할 수 있다.

질량 분석법에서는 자극으로 전자 충돌을 사용하여, 분해에 의해 생성된 파편의 질량에 대한 그 양을 기록한 것을 스펙트럼이라고 한다.

6. 생물학

항생제의 활성 스펙트럼은 항생제 분류의 한 요소이다. 광범위 항생제는 다양한 종류의 세균에 효과가 있는 반면,[2] 협범위 항생제는 특정 세균과에만 효과가 있다.[3] 일반적으로 사용되는 광범위 항생제의 예로는 암피실린이 있다.[3] 협범위 항생제의 예로는, ''황색포도상구균''과 같은 베타락탐 분해효소 생성 그람양성균에 작용하는 딕록사실린이 있다.[4]

정신의학에서는 스펙트럼 접근법이라는 용어를 사용하여 서로 연관된 질환의 범위를 설명하는데, 때로는 단일 증상과 특성까지 포함하기도 한다. 예를 들어, 자폐 스펙트럼은 신경발달장애로 분류되는 여러 질환의 범위를 설명한다.

7. 수학

수학에서 행렬의 스펙트럼은 행렬의 고유값들의 다중집합이다.

함수 해석학에서 유계 작용소의 스펙트럼 개념은 행렬에 대한 고유값 개념의 일반화이다.

대수적 위상수학에서 스펙트럼은 일반화된 코호몰로지 이론을 나타내는 대상이다.

8. 사회 과학

사회과학에서 경제적 스펙트럼은 부 또는 소득과 같은 지표에 따른 사회 계층의 범위를 나타낸다. 정치학에서 정치적 스펙트럼이라는 용어는 하나 이상의 차원에서 정치적 입장을 분류하는 시스템을 가리키며, 예를 들어 우익과 좌익을 포함하는 범위에서 사용된다.

좌우 이분법을 넘어선 정치적 스펙트럼을 나타낸 놀란 차트 (빨강은 좌파, 파랑은 우파를 나타냄)

참조

[1] 서적 The American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth Edition http://dictionary.re[...] Houghton Mifflin Company 2004
[2] 서적 Taber's cyclopedic medical dictionary F. A. Davis 1993
[3] 서적 Drugs and Pharmacology for Nurses 1997
[4] 논문 In vitro activity effects of combinations of cephalothin, dicloxacillin, imipenem, vancomycin and amikacin against methicillin-resistant Staphylococcus spp. strains
[5] 서적 学術用語集 物理学編 培風館
[6] 서적 化学語源ものがたり 化学同人


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