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프라운호퍼선

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목차

1. 개요

프라운호퍼선은 태양 스펙트럼에서 관찰되는 어두운 흡수선으로, 1802년 윌리엄 하이드 울러스턴에 의해 처음 발견되었고, 1814년 요제프 폰 프라운호퍼에 의해 체계적으로 연구되었다. 이 선들은 가열된 화학 원소의 방출 스펙트럼과 일치하며, 태양 대기 중 화학 원소의 흡수에 의해 발생한다는 것이 밝혀졌다. 프라운호퍼선은 파장에 따라 고유한 기호와 원소로 분류되며, 천문학에서 천체의 거리와 조성을 추정하는 데 활용되고, 광학 재료의 굴절률 및 분산 특성을 특성화하는 표준 파장을 지정하는 데 사용된다.

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프라운호퍼선
개요
명칭프라운호퍼선
로마자 표기Fraunhofer seon
어원요제프 폰 프라운호퍼의 이름에서 유래
설명태양 스펙트럼에서 관찰되는 수많은 어두운 선들
역사
발견1802년, 윌리엄 하이드 울러스턴에 의해 일부 선들이 처음 관찰됨
연구1814년, 요제프 폰 프라운호퍼가 독립적으로 재발견하고 체계적으로 연구
프라운호퍼의 업적570개 이상의 선을 자세히 기술하고 주요 선들에 문자 A부터 K까지 할당
특징
발생 원인태양 표면에서 방출된 빛이 태양 대기를 통과하면서 특정 파장의 빛이 흡수되어 나타남
흡수태양 대기 중의 원소들이 특정 파장의 빛을 흡수
파장각 원소는 고유한 파장의 빛을 흡수하므로, 프라운호퍼선의 파장을 분석하여 태양 대기 구성 원소 파악 가능
응용항성의 화학적 조성 분석
적색편이 측정
주요 프라운호퍼선
선 명칭원소 (파장, nm)
A산소 (759.4)
B산소 (686.7)
C수소 (656.3)
D1나트륨 (589.6)
D2나트륨 (589.0)
E철 (527.0)
F수소 (486.1)
G철 (430.8)
H칼슘 (396.8)
K칼슘 (393.4)

2. 역사

1802년, 영국의 윌리엄 울러스턴은 태양광 스펙트럼에서 여러 개의 어두운 선(암선)이 나타나는 것을 처음으로 발견했다. 1814년, 요제프 폰 프라운호퍼는 울러스턴과는 별도로 이 암선들을 재발견하고 570개 이상을 체계적으로 연구하여 파장을 측정했다. 그는 주요 암선에 A부터 K까지의 기호를 부여했고, 약한 선에는 다른 기호를 사용하여 표시했다.

이후 구스타프 키르히호프와 로베르트 분젠은 프라운호퍼선이 가열된 화학 원소의 방출선과 일치한다는 것을 발견하고, 태양 스펙트럼의 암선이 태양 대기의 화학 원소에 의한 흡수 때문에 발생한다고 추론했다. 또한, 일부는 지구 대기의 산소 분자에 의한 흡수로 발생하는 대기선으로 확인되었다.

2. 1. 발견

1802년, 영국의 화학자 윌리엄 하이드 울러스턴[2]은 태양 스펙트럼에서 여러 개의 어두운 특징이 나타나는 것을 처음으로 발견했다.[3] 1814년, 요제프 폰 프라운호퍼는 이 선들을 독자적으로 재발견하고 체계적으로 연구하여 파장을 측정하기 시작했다. 그는 570개 이상의 선을 지도에 표시했으며, 가장 두드러진 선들은 A부터 K까지의 문자로, 더 약한 선들은 다른 문자로 지정했다.[4][5][6] 현대의 햇빛 관측에서는 수천 개의 선을 감지할 수 있다.

약 45년 후, 구스타프 키르히호프와 로베르트 분젠[7]은 여러 프라운호퍼선이 가열된 화학 원소의 스펙트럼에서 확인된 특징적인 방출선과 일치한다는 것을 발견했다.[8] 그들은 태양 스펙트럼의 어두운 선들이 태양 대기의 화학 원소에 의한 흡수에 의해 발생한다고 추론했다.[9] 관찰된 다른 특징들 중 일부는 지구 대기의 산소 분자에 의한 흡수로 인해 발생하는 대기선으로 확인되었다.

2. 2. 키르히호프와 분젠의 연구

구스타프 키르히호프와 로베르트 분젠은 여러 프라운호퍼선이 가열된 화학 원소의 스펙트럼에서 확인된 특징적인 방출선과 일치한다는 것을 발견했다.[7] 이들은 태양 스펙트럼의 어두운 선들이 태양 대기의 화학 원소에 의한 흡수에 의해 발생한다고 추론했다.[9] 관찰된 다른 특징들 중 일부는 지구 대기의 산소 분자에 의한 흡수로 인해 발생하는 대기선으로 확인되었다.

3. 명칭 및 분류

프라운호퍼선은 흡수선 스펙트럼에 나타나는 어두운 선들을 말하며, 각 선은 특정 원소와 파장에 대응된다. 이 선들은 1814년 독일의 물리학자 요제프 폰 프라운호퍼에 의해 체계적으로 연구되었고, 그의 이름을 따서 명명되었다. 프라운호퍼선은 일반적으로 알파벳 대문자와 소문자, 그리고 아래 첨자를 사용하여 분류된다. 예를 들어, D1, D2, H, K 등과 같은 기호로 표시된다.

프라운호퍼 C, F, G', h선은 수소 원자의 발머 계열 방출선의 알파, 베타, 감마, 델타선에 해당하지만, 현대에는 거의 사용되지 않는다. D1과 D2 선은 "나트륨 이중선"으로 불리는 쌍을 이루며, 중심 파장은 589.29nm이고 "D"로 표시된다. 이 명칭은 다른 알칼리 금속 원자의 바닥 상태와 첫 번째 여기 상태 사이의 모든 전이에도 사용된다. D1과 D2 선은 여기 상태의 미세 구조 분할에 해당한다. 프라운호퍼 H와 K 문자는 Ca+ 이중선에도 사용되며, 이는 천문 분광학에서 중요하다.

일부 선 지정에는 문헌에서 의견 불일치가 있다. 예를 들어, 프라운호퍼 d 선은 466.814nm의 청색 철 선을 나타낼 수도 있고, 587.5618nm의 황색 헬륨 선(D3로도 표시됨)을 나타낼 수도 있다. 마찬가지로 e 선은 철(Fe)과 수은(Hg)의 스펙트럼선을 모두 나타낼 수 있어 모호하다. 이러한 모호성을 해결하기 위해, 모호한 프라운호퍼선은 관련된 원소를 함께 표기한다(예: 수은 e선, 헬륨 d선).

프라운호퍼선은 잘 정의된 파장을 가지기 때문에, 광학 재료의 굴절률 및 분산 특성을 나타내는 표준 파장을 정하는 데 사용되기도 한다.

3. 1. 주요 프라운호퍼선

주요 프라운호퍼선과 관련된 원소는 다음 표에 나와 있다.

명칭요소파장 (nm)
yO898.765
ZO822.696
AO759.370
BO686.719
CH656.281
aO627.661
DNa589.592
DNa588.995
D (또는 d)He587.5618
eHg546.073
EFe527.039
bMg518.362
bMg517.270
bFe516.891
bMg516.733
cFe495.761
FH486.134
dFe466.814
eFe438.355
G′H434.047
GFe430.790
GCa430.774
hH410.175
HCa+396.847
KCa+393.366
LFe382.044
NFe358.121
PTi+336.112
TFe302.108
tNi299.444



보정된 분광계로 측정한 태양 스펙트럼 복사 조도. 확장된 가시 스펙트럼(그래프의 강조 표시된 영역)에 대한 몇 가지 특징적인 프라운호퍼선과 해당 원소가 표시되어 있다. 광도 및 색도 측정을 위해 360–830 nm 범위에서 표준 측정을 수행한다. 이러한 데이터와 이 스펙트럼 범위에서 상관색온도(CCT)는 5470 K이다.


프라운호퍼 C, F, G', h선은 수소 원자의 발머 계열 방출선의 알파, 베타, 감마 및 델타선에 해당한다. 프라운호퍼 문자는 이제 해당 선에 거의 사용되지 않는다.

D 및 D 선은 "나트륨 이중선"으로 알려진 쌍을 형성하며, 중심 파장(589.29 nm)은 "D"로 지정된다. 이 선에 대한 이 역사적 명칭은 계속 사용되었으며 다른 알칼리 원자의 바닥 상태와 첫 번째 여기 상태 사이의 모든 전이에 주어진다. D 및 D 선은 여기 상태의 미세 구조 분할에 해당한다.

불꽃에서 소금물을 사용한 589 nm D(왼쪽) 및 590 nm D(오른쪽) 방출 나트륨 D선 시연


프라운호퍼 H 및 K 문자는 또한 스펙트럼의 보라색 부분에 있는 칼슘 이중선에 사용되며, 이는 천문 분광학에서 중요하다.

문헌에서는 일부 선 지정에 대한 의견 불일치가 있다. 예를 들어, 프라운호퍼 d 선은 466.814 nm의 청색 철 선을 나타내거나, 또는 587.5618 nm의 황색 헬륨 선(D로도 표시됨)을 나타낼 수 있다. 마찬가지로, e 선은 철(Fe)과 수은(Hg)의 스펙트럼선 모두를 나타낼 수 있으므로 모호성이 있다. 사용 시 발생하는 모호성을 해결하기 위해, 모호한 프라운호퍼선 지정은 관련된 원소로 시작한다(예: 수은 e선 및 헬륨 d선).

잘 정의된 파장 때문에 프라운호퍼선은 종종 광학 재료의 굴절률 및 분산 특성을 특성화하는 표준 파장을 지정하는 데 사용된다.

3. 2. 명칭의 혼동

프라운호퍼 C, F, G', h선은 수소 원자의 발머 계열 방출선의 알파, 베타, 감마, 델타선에 해당한다. 하지만 이 프라운호퍼 문자들은 현대에는 거의 사용되지 않는다.

D1과 D2 선은 "나트륨 이중선"으로 불리는 쌍을 이루며, 중심 파장은 589.29nm이고 "D"로 표시된다. 이 명칭은 계속 사용되어 다른 알칼리 금속 원자의 바닥 상태와 첫 번째 여기 상태 사이의 모든 전이에도 사용된다. D1과 D2 선은 여기 상태의 미세 구조 분할에 해당한다.

프라운호퍼 H와 K 문자는 Ca+ 이중선에도 사용되며, 이는 천문 분광학에서 중요하다.

일부 선 지정에는 문헌에서 의견 불일치가 있다. 예를 들어, 프라운호퍼 d 선은 466.814nm의 청색 철 선을 나타낼 수도 있고, 587.5618nm의 황색 헬륨 선(D3로도 표시됨)을 나타낼 수도 있다. 마찬가지로 e 선은 철(Fe)과 수은(Hg)의 스펙트럼선을 모두 나타낼 수 있어 모호하다. 이러한 모호성을 해결하기 위해, 모호한 프라운호퍼선은 관련된 원소를 함께 표기한다(예: 수은 e선, 헬륨 d선).

프라운호퍼선은 잘 정의된 파장을 가지기 때문에, 광학 재료의 굴절률 및 분산 특성을 나타내는 표준 파장을 정하는 데 사용되기도 한다.

4. 활용

프라운호퍼선은 천체물리학에서 천체의 거리와 조성을 추정하는 데 활용된다. C-, F-, G'-, h- 선은 수소의 발머 계열에 속한다. D3선은 채층에서 보이는 헬륨의 발광선으로, 1868년 로키어에 의해 발견되었다.[11][12]

4. 1. 천체 물리학

천체물리학에서 천체에서 오는 빛의 스펙트럼을 관측하여, 적색편이에 의한 프라운호퍼선의 어긋남을 조사하여, 그 천체와 태양계와의 거리를 추정할 수 있다. 또한 프라운호퍼선의 유무로부터 그 천체의 조성을 추정할 수 있다.

주요 프라운호퍼선의 기호와 파장은 아래 표와 같다.

기호원소파장 (nm)기호원소파장 (nm)
yO2898.765cFe495.761
ZO2822.696FH β486.134
AO2759.370dFe466.814
BO2686.719eFe438.355
CH α656.281G'H γ434.047
aO2627.661GFe430.790
D1Na589.594GCa430.774
D2Na588.997hH δ410.175
D3He587.565HCa+396.847
E2Fe527.039KCa+393.368
b1Mg518.362LFe382.044
b2Mg517.270NFe358.121
b3Fe516.891PTi+336.112
b4Fe516.751TFe302.108
b4Mg516.733tNi299.444



C-, F-, G'-, h- 선은 수소의 발머 계열이다.

D3선은 광구의 빛에서 보이는 흡수선(암선)이 아니라, 채층의 빛에서 보이는 헬륨의 발광선(휘선)이며[11], 1868년 8월 18일의 개기 일식 때 로키어에 의해 발견되었다.[12]

참조

[1] 서적 Biology: Concepts and Applications https://archive.org/[...] Thomson Brooks/Cole
[2] 웹사이트 William Hyde Wollaston http://www.britannic[...] 2013-03-31
[3] 간행물 A method of examining refractive and dispersive powers, by prismatic reflection, http://rstl.royalsoc[...] 1802
[4] 서적 The analysis of starlight Cambridge University Press 1986
[5] 간행물 Bestimmung des Brechungs- und des Farben-Zerstreuungs - Vermögens verschiedener Glasarten, in Bezug auf die Vervollkommnung achromatischer Fernröhre https://books.google[...] 1814-1815
[6] 서적 Fundamentals of Optics https://archive.org/[...] McGraw-Hill 1981
[7] 간행물
[8] 논문 Ueber die Fraunhofer'schen Linien https://zenodo.org/r[...] 1860
[9] 논문 Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht https://zenodo.org/r[...] 1860
[10] 서적 Biology: Concepts and Applications https://archive.org/[...] Thomson Brooks/Cole
[11] 서적 理科年表 丸善
[12] 서적 元素111の新知識 第2版増補版 講談社


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