흡수대
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1. 개요
흡수대는 전자기파가 물질에 흡수되는 현상을 의미하며, 광자의 전자기장이 사라지고 시스템의 상태 변화가 일어나는 과정이다. 흡수 과정은 에너지, 운동량, 각운동량 등의 보존 법칙을 따르며, 이에 따라 전이에는 선택 규칙이 존재한다. 흡수 강도는 쌍극자 모멘트 변화, 전이 행렬 요소, 흡수 계수 등에 의해 결정되며, 온도와 통계 역학, 선 모양 분석 등이 흡수 띠와 선 모양에 영향을 미친다. 흡수 현상은 전자, 진동, 회전 전이 등 다양한 종류로 나타나며, 안료, 염료, 광학 필터, 자외선 차단제 등 다양한 분야에 응용된다. 대기 물리학에서는 산소, 오존, 질소 등의 흡수 띠가 연구되며, 각 기체는 특정 파장 범위에서 독특한 흡수 스펙트럼을 보인다.
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2. 전자기 전이 (Electromagnetic Transitions)
전자기파가 원자 또는 분자에 흡수되면, 복사 에너지로 인해 원자 또는 분자의 상태가 초기 상태에서 최종 상태로 바뀐다. 기체나 희석된 시스템에서는 특정 에너지 범위 내 상태 수가 이산적인 에너지 준위를 갖지만, 액체나 고체 같은 응집 물질은 연속적인 상태 밀도 분포와 종종 연속적인 에너지 밴드를 가진다. 물질이 에너지를 변화시키려면 광자를 흡수하여 일련의 "단계"를 거쳐야 한다. 이 흡수 과정은 전자를 점유된 상태에서 비어 있는 상태로 이동시키거나, 분자 전체의 진동 또는 회전 상태를 바꾸거나, 고체 내에서 준입자인 포논 또는 플라즈몬을 생성할 수 있다.
광자가 흡수될 때, 광자의 전자기장은 사라지고 흡수 시스템의 상태 변화가 일어난다. 이 과정에서 광자의 에너지, 운동량, 각운동량, 자기 쌍극자 모멘트, 전기 쌍극자 모멘트 등이 시스템으로 전달된다. 이때 보존 법칙을 만족해야 하므로, 전이는 특정 제약 조건, 즉 일련의 선택 규칙을 따라야 한다. 이 때문에 가능한 모든 에너지나 주파수 범위에서 전이가 일어나지는 않는다.[2]
전자기 흡수 과정의 강도는 주로 두 가지 요인에 의해 결정된다. 첫째, 시스템의 자기 쌍극자 모멘트만 변경하는 전이는 전기 쌍극자 모멘트를 변경하는 전이보다 훨씬 약하다. 사중극자 전이와 같은 더 높은 차수의 모멘트 변화를 동반하는 전이는 쌍극자 전이보다 더 약하다. 둘째, 모든 전이가 동일한 전이 행렬 요소, 흡수 계수 또는 진동자 강도를 갖는 것은 아니다.
일부 분광학 분야, 특히 (원)적외선, 마이크로파, 무선 주파수 범위에서는 온도와 통계 역학이 흡수 강도에 중요한 역할을 한다. 온도에 따른 상태의 점유 수와 보스-아인슈타인 통계, 페르미-디랙 통계의 차이가 관찰된 흡수 강도를 결정한다. 다른 에너지 범위에서는 열 운동 효과, 예를 들어 도플러 넓어짐 등이 스펙트럼 선폭에 영향을 줄 수 있다.
2. 1. 흡수 띠와 선 모양 (Band and Line Shape)
다양한 흡수 띠와 선 모양이 존재하며, 이러한 띠 또는 선 모양의 분석을 통해 이를 유발하는 시스템에 대한 정보를 얻을 수 있다. 많은 경우, 좁은 스펙트럼 선은 각각 로렌츠 함수 또는 가우스 함수를 따른다고 가정하는 것이 편리하다. 이는 각각 감쇠 메커니즘 또는 온도 효과 (예: 도플러 넓어짐)에 따라 달라진다.[3] 스펙트럼 밀도와 스펙트럼 선의 세기, 폭 및 모양에 대한 분석은 때때로 뫼스바우어 스펙트럼에서와 같이 관찰된 시스템에 대한 많은 정보를 제공할 수 있다.
매크로분자 및 큰 공액 시스템과 같이 매우 많은 수의 상태를 가진 시스템에서는 개별 에너지 준위를 흡수 스펙트럼에서 항상 구별할 수 있는 것은 아니다. 선 넓어짐 메커니즘이 알려져 있고 스펙트럼 밀도의 모양이 스펙트럼에서 명확하게 보이는 경우, 원하는 데이터를 얻을 수 있다. 때로는 띠의 하한 또는 상한 또는 위치를 아는 것만으로도 분석에 충분하다.
응집 물질 및 고체의 경우, 흡수 띠의 모양은 종종 연속적인 상태 밀도 분포에서 상태 간의 전이에 의해 결정된다. 결정의 경우, 전자 띠 구조가 상태 밀도를 결정한다. 유체, 유리 및 비정질 고체의 경우, 장거리 상관 관계가 없으며 분산 관계는 등방성이다. 전하 이동 착물 및 공액 시스템의 경우, 띠 폭은 응집 물질에 비해 다양한 요인에 의해 복잡해진다.[4]
3. 흡수의 종류 (Types)
전자기파가 물질과 상호작용할 때 에너지가 흡수되는 방식은 여러 가지가 있다. 이러한 흡수 과정은 주로 관련된 에너지 전이의 종류에 따라 분류된다. 주요 흡수 메커니즘으로는 원자나 분자 내 전자의 에너지 상태 변화와 관련된 전자 전이, 분자의 진동 에너지 변화를 동반하는 진동 전이, 분자의 회전 운동 상태 변화에 따른 회전 전이 등이 있다. 또한, 특정 조건 하에서는 핵자기 공명과 같은 다른 유형의 에너지 흡수 현상도 관찰된다.
3. 1. 전자 전이 (Electronic Transitions)
전자기파가 원자 또는 분자에 흡수되면, 복사 에너지는 원자나 분자의 상태를 바닥 상태에서 들뜬 상태로 변화시킨다. 이러한 흡수 과정은 전자를 포함한 입자를 점유된 상태에서 비어 있는 상태로 이동시키거나, 분자 전체의 진동 또는 회전 상태를 바꾸기도 한다. 고체에서는 포논이나 플라즈몬과 같은 준입자를 생성할 수도 있다.원자, 분자 및 응집 물질의 전자기 전이는 주로 스펙트럼의 자외선 및 가시광선 영역에 해당하는 에너지에서 발생한다. 원자의 내각 전자와 관련된 현상은 X선 흡수 분광법(XAS)을 통해 X선 에너지 범위에서 관찰되며, 원자핵의 전자기 전이는 뫼스바우어 분광법에서 볼 수 있듯이 스펙트럼의 감마선 부분에서 일어난다.
흡수 스펙트럼에는 다양한 형태의 흡수 띠와 선이 나타나며, 이를 분석하여 해당 시스템에 대한 정보를 얻을 수 있다. 때로는 좁은 스펙트럼 선이 로렌츠 함수나 가우스 함수 형태를 따른다고 가정하는데, 이는 각각 감쇠 메커니즘이나 온도 효과 (예: 도플러 넓어짐)와 관련이 있다.[3] 스펙트럼 선의 세기, 폭, 모양 분석은 뫼스바우어 분광법에서처럼 시스템에 대한 중요한 정보를 제공하기도 한다.
물질의 상태에 따라 흡수 띠의 특성이 달라진다. 기체나 희석된 시스템에서는 이산적인 에너지 준위를 가지지만, 액체나 고체와 같은 응집 물질은 연속적인 상태 밀도 분포와 에너지 밴드를 갖는다. 응집 물질 및 고체에서 흡수 띠의 모양은 주로 연속적인 상태 밀도 분포 내 상태 간의 전이에 의해 결정된다. 결정의 경우, 전자 띠 구조가 상태 밀도를 결정하며, 포논이라 불리는 격자 진동의 초기 및 최종 상태 밀도도 영향을 미친다.
분자 고체의 경우, 흡수 띠로의 스펙트럼 선 확대는 주로 시료 내 분자의 진동 및 회전 에너지 분포(그리고 들뜬 상태의 에너지 분포) 때문에 발생한다. 또한 결정 구조와 포논도 흡수 띠 모양에 영향을 준다. 기체 상태 분광법에서는 이러한 요인에 의한 미세 구조를 식별할 수 있지만, 용액 상태에서는 분자 주변 환경의 차이로 인해 구조가 더욱 넓어져 부드러운 띠 형태를 보인다. 분자의 전자 전이 띠는 일반적으로 수십 나노미터에서 수백 나노미터 범위의 폭을 가질 수 있다. 매크로분자나 큰 공액 시스템처럼 매우 많은 상태를 가진 시스템에서는 개별 에너지 준위를 흡수 스펙트럼에서 명확히 구분하기 어려울 수 있다.[4]
3. 2. 진동 전이 (Vibrational Transitions)
전자기파가 분자에 흡수될 때, 그 에너지로 인해 분자의 에너지 준위가 변할 수 있다. 여러 흡수 과정 중 하나로 진동 전이가 있는데, 이는 분자 전체의 진동 상태가 하나의 상태에서 다른 상태로 바뀌는 현상을 의미한다. 이러한 진동 전이와 광학 포논 전이는 주로 스펙트럼의 적외선 영역에서 일어나며, 대략 1um에서 30um 사이의 파장에서 관찰된다.[5]3. 3. 회전 전이 (Rotational Transitions)
분자와 같은 전체 회전 시스템이 전자기파를 흡수하여 하나의 회전 상태에서 다른 회전 상태로 바뀌는 것을 의미한다. 회전 전이는 원적외선 및 마이크로파 영역의 전자기파 흡수를 통해 일어난다.[6]3. 4. 기타 전이 (Other Transitions)
무선 주파수 대역의 흡수 띠는 핵자기 공명 분광법에서 발견된다.[1] 이때 관찰되는 흡수 띠의 주파수 범위와 강도는 분석 대상 핵의 자기 모멘트, 외부에서 가해진 자기장의 세기, 그리고 자기 상태의 온도에 따른 점유 수 차이에 의해 결정된다.[1]4. 응용 (Applications)
폭넓은 흡수 대역을 가진 재료는 안료, 염료, 광학 필터 등에 응용된다. 이산화 티타늄, 산화 아연, 발색단 등은 자외선 차단제에서 자외선 흡수제나 반사제로 사용된다.
5. 대기 물리학에서의 흡수 띠 (Absorption Bands of Interest to the Atmospheric Physicist)
지구 대기를 구성하는 주요 기체 분자인 산소(O2), 오존(O3), 질소(N2) 등은 특정 파장의 전자기파를 흡수하는 고유한 특성을 가지고 있다. 이러한 특정 파장 영역을 흡수 띠라고 부르며, 각 기체 분자마다 다양한 파장대에서 여러 흡수 띠가 나타난다.
이러한 흡수 띠는 태양 복사 에너지가 지구 표면에 도달하는 양을 조절하고, 지구 복사 에너지가 우주 공간으로 빠져나가는 것을 막는 등 지구 대기의 에너지 수지 균형에 중요한 역할을 한다. 또한, 특정 기체의 농도 변화는 해당 기체의 흡수 띠에 의한 에너지 흡수량 변화를 유발하여 지구 온난화와 같은 기후 변화에 영향을 미칠 수 있다.
대기 물리학에서 중요하게 다루는 주요 기체별 흡수 띠에 대한 자세한 정보는 아래 하위 섹션에서 확인할 수 있다.
5. 1. 산소 (O₂)
- 자외선 영역에서 약 67nm에서 100nm 사이에 나타나는 매우 강한 흡수대인 '''홉필드 밴드''' (존 J. 홉필드).
- 101.9nm에서 130nm 사이의 확산 시스템.
- 135nm에서 176nm 사이에 나타나는 매우 강한 '''슈만-룽게 연속체'''.
- 176nm에서 192.6nm 사이의 '''슈만-룽게 밴드''' (빅토르 슈만, 카를 룽게).
- 240nm에서 260nm 사이의 '''헤르츠베르크 밴드''' (게르하르트 헤르츠베르크).
- 가시광선 영역에서 538nm에서 771nm 사이에 나타나는 '''대기 밴드'''. 여기에는 산소 δ(델타, 약 580nm), γ(감마, 약 629nm), B(약 688nm), 그리고 A-밴드(약 759nm~771nm)가 포함된다.[7]
- 약 1000nm의 적외선 영역 시스템.[8]
5. 2. 오존 (O₃)
- 자외선 영역에서 200~300 나노미터 사이의 하틀리 밴드, 255 나노미터에서 매우 강한 최대 흡수를 보인다. 이는 월터 노엘 하틀리의 이름을 따서 명명되었다.
- 320~360 나노미터 사이의 약한 흡수인 허긴스 밴드. 이는 윌리엄 허긴스 경의 이름을 따서 명명되었다.
- 가시광선 영역에서 375~650 나노미터 사이의 약한 확산 시스템인 샤피 밴드. 이는 J. 샤피의 이름을 따서 명명되었으며, 때로는 "샤피우스"로 잘못 표기되기도 한다.
- 700 nm 이상의 적외선 영역에 존재하는 울프 밴드. 4,700, 9,600 및 14,100 나노미터에 중심을 두고 있으며, 이 중 14,100 나노미터에서의 흡수가 가장 강하다. 이는 올리버 R. 울프의 이름을 따서 명명되었다.
5. 3. 질소 (N₂)
- 극자외선 영역의 라이먼-비르지-홉필드 밴드, 때로는 비르지-홉필드 밴드라고도 함: 140nm–170nm (테오도르 라이먼, 레이먼드 T. 비르지, 그리고 존 J. 홉필드의 이름을 따서 명명됨)
참조
[1]
서적
Interpretation of Organic Spectra
John Wiley & Sons
2011-04-18
[2]
서적
Introduction to Optics I: Interaction of Light with Matter
https://books.google[...]
Springer Nature
2022-05-31
[3]
서적
Modern Spectroscopy
Wiley
1996
[4]
간행물
Why the Particle-in-a-Box Model Works Well for Cyanine Dyes but Not for Conjugated Polyenes
https://pubs.acs.org[...]
2007-11
[5]
서적
MOLECULAR VIBRATIONS. The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra.
McGraw-Hill, New York
1955
[6]
서적
Molecular Vib-Rotors. THE THEORY AND INTERPRETATION OF HIGH RESOLUTION INFRARED SPECTRA.
John Wiley and Sons, Inc. New York
1963
[7]
웹사이트
Visible absorption cross sections and integrated absorption intensities of molecular oxygen (O2 and O4)
http://onlinelibrary[...]
[8]
웹사이트
Near-infrared absorption spectroscopy of oxygen and nitrogen gas mixtures
[9]
서적
Interpretation of Organic Spectra
John Wiley & Sons
2011-04-18
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