방출 스펙트럼

3. 방출 스펙트럼의 종류

방출 스펙트럼은 크게 선 스펙트럼과 연속 스펙트럼으로 나뉜다.

분광기를 사용하여 기체의 빛을 스펙트럼으로 나누면 많은 밝은 선, 즉 휘선이 나타난다. 이를 선 스펙트럼이라고 한다.^[1] 선 스펙트럼은 원자로부터 나오는 빛으로, 원자가 고유의 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 나타난다. 원자 스펙트럼은 원자 기체 또는 증기가 전자와 충돌하여 들뜨고, 빛을 방출하면서 나타난다.^[1]

원소의 선 스펙트럼을 해석하면 원소의 여러 가지 상태를 알 수 있다. 이는 원자 물리학, 더 나아가 양자론의 기초가 된 중요한 실마리 중 하나이다.^[1]

위 그림은 가시 광선 수소 방출 스펙트럼과 철의 방출 스펙트럼을 보여준다.

방출 스펙트럼은 각 화학 원소의 주기율표에 따라 다르기 때문에 재료의 조성을 결정하는 데 사용할 수 있다. 한 가지 예는 천문학적 분광학으로, 수신된 빛을 분석하여 별의 조성을 식별하는 것이다.

일부 원소의 방출 스펙트럼 특성은 불꽃 반응을 통해 확인할 수 있다. 예를 들어, 백금선을 질산 나트륨 용액에 담갔다가 불꽃에 넣으면 나트륨 원자가 호박색 노란색을 방출한다. 마찬가지로 인듐을 불꽃에 넣으면 불꽃이 파란색이 된다.

3. 1. 선 스펙트럼

4. 방출 분광법

방출 분광법은 물질이 방출하는 빛의 스펙트럼을 분석하여 물질의 구성 성분과 상태를 알아내는 방법이다. 기체를 유리관에 넣어 방전시키면, 네온 사인의 빨강이나 수은의 파랑처럼 기체 특유의 색으로 빛난다. 이 빛을 분광기로 나누면 많은 휘선이 나타나는 선 스펙트럼이 되는데, 이는 원자 고유의 스펙트럼에서 비롯된다.

물리학에서 방출은 입자가 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 변환되며 빛을 생성하는 과정이다. 방출되는 빛의 진동수는 전이(transition)의 에너지에 대한 함수이며, 에너지 보존 법칙에 따라 두 상태 간의 에너지 차이는 광자가 전달하는 에너지와 같다.

원자가 열을 받으면 전자가 더 높은 에너지 궤도로 이동하고, 다시 떨어지면서 광자 형태로 에너지를 방출한다. 이 광자의 파장은 두 상태 간의 에너지 차이에 의해 결정되며, 원소의 스펙트럼을 형성한다. 원자 방출 스펙트럼에 특정 색만 나타나는 것은 특정 주파수의 빛만 방출되기 때문이며, 이는 다음 공식으로 표현된다.

:$E\_\{\backslash text\{광자\}\}\; =\; h\backslash nu,$

:여기서 $E\_\{\backslash text\{광자\}\}$는 광자의 에너지, $\backslash nu$는 그 주파수, $h$는 플랑크 상수이다.

방출 분광법은 원자나 분자가 들뜬 상태에서 낮은 에너지 상태로 전이할 때 방출되는 광자의 파장을 조사하는 분광법 기술이다. 각 원소는 전자 구조에 따라 특징적인 파장을 방출하며, 이를 통해 샘플의 원소 조성을 결정할 수 있다. 방출 분광법은 19세기 후반에 개발되었으며, 원자 방출 스펙트럼에 대한 이론적 설명은 양자 역학으로 이어졌다.^[1]

분석할 물질을 포함하는 용액을 버너로 분산시켜 고체 입자를 만들고, 불꽃의 가장 뜨거운 영역으로 이동시켜 기체 원자 및 이온을 생성한다. 여기서 전자가 여기되고, 낮은 에너지 상태로 붕괴하며 광자를 방출한다.

4. 1. 방출 분광법의 활용

4. 2. 방출 분광법의 역사

5. 방출 계수

물리학에서 방출 계수는 전자기파원에서 단위 시간당 출력되는 에너지의 계수를 의미하며, 빛의 파장에 따라 달라진다. 방출 계수의 단위는 m⋅s⁻³⋅sr⁻¹이다.^[18]

톰슨 산란에서 하전 입자는 입사광에 의해 복사를 방출한다. 이 입자는 보통 원자 전자이며, 따라서 방출 계수는 실용적인 응용 분야를 가진다. 만약 ''X'' dV dΩ dλ가 부피 요소 dV에 의해 파장 λ에서 λ + dλ 사이의 입체각 dΩ으로 단위 시간당 산란된 에너지라면, 방출 계수는 ''X''이다. 톰슨 산란에서 ''X''의 값은 입사 플럭스, 하전 입자의 밀도 및 톰슨 미분 단면적(면적/입체각)으로부터 예측할 수 있다.

따뜻한 물체가 광자를 방출하는 것은 온도 및 총 복사 전력과 관련된 단색광 방출 계수를 가지며, 이는 때때로 두 번째 아인슈타인 계수라고 불린다.

참조

_[1] 웹사이트 Spectroscopy Oil Analysis http://www.synlube.c[...] 2017-02-24
_[2] 논문 Observations on light and colours https://babel.hathit[...] 1756
_[3] 문서 Frauhofer. Jos. (1821) [https://books.google.com/books?id=k-EAAAAAYAAJ&pg=RA1-PA3 "Neue Modifikation des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen, und Gesetze derselben"] (New modification of light by the mutual influence and the diffraction of [light] rays, and the laws thereof), ''Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München'' (Memoirs of the Royal Academy of Science in Munich), '''8''': 3–76. * Fraunhofer, Jos. (1823) [http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k15083w/f353.image "Kurzer Bericht von den Resultaten neuerer Versuche über die Gesetze des Lichtes, und die Theorie derselben"] (Short account of the results of new experiments on the laws of light, and the theory thereof) ''Annalen der Physik'', '''74'''(8): 337–378.
_[4] 논문 A geological history of reflecting optics 2005-03
_[5] 간행물 Spectroscopy in Astronomy http://cnx.org/conte[...] OpenStax CNX 2016-09-29
_[6] 서적 Sir Charles Wheatstone FRS: 1802-1875 https://books.google[...] IET 2001
_[7] 서적 Report of the Fifth Meeting of the British Association for the Advancement of Science; Held at Dublin in 1835. Notices and Abstracts of Communications to the British Association for the Advancement of Science, at the Dublin Meeting, August 1835. John Murray 1836
_[8] 문서 Brand, pp. 60–62
_[9] 논문 Lumière électrique https://www.biodiver[...] 1849
_[10] 논문 Optiska undersökningar https://babel.hathit[...] 1852
_[11] 논문 Early Spectroscopy and the Balmer Lines of Hydrogen 2005
_[12] 문서 (Ångström, 1852), p. 352; (Ångström, 1855b), p. 337.
_[13] 논문 Spectrum Analysis Discoverer? 2003
_[14] 논문 On certain physical properties of light, produced by the combustion of different metals, in the electric spark, refracted by a prism https://babel.hathit[...] 1854
_[15] 논문 Gustav Kirchhoff (1859) [https://books.google.com/books?id=CMgAAAAAYAAJ&pg=PA662 "Ueber die Fraunhofer'schen Linien"] (On Fraunhofer's lines), ''Monatsbericht der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin'' (Monthly report of the Royal Prussian Academy of Sciences in Berlin), 662–665.
_[16] 논문 Ueber die Fraunhofer'schen Linien https://zenodo.org/r[...] 1860
_[17] 논문 Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht https://zenodo.org/r[...] 1860
_[18] 서적 An Introduction to Modern Astrophysics Pearson Education
_[19] 서적 An Introducion to Modern Astrophysics Pearson Education