Atomic Spectrum   원자 스펙트럼

1. 원자 스펙트럼(분광) 이란?

  ㅇ 각각의 화학원소는 모두 저마다 독특한 선 스펙트럼 특성을 보임
     - 원자 선 스펙트럼에서 선의 수, 세기, 위치가 저마다 다름
        . 화학자는, 화학원소의 스펙트럼을 조사하여, 물질의 화학적 성분을 알 수 있음
        . 천문학자는, 별의 스펙트럼을 조사하여, 그 별의 대기의 화학적 성분 등을 알 수 있음


2. 원자 스펙트럼(분광) 역사 및 응용

  ㅇ 역사적으로, 19세기 말 부터 알려지기 시작함
     - 들뜬 기체 방전시 분광 계열(spectral series)이라는 일련의 분광 무리들이 관측됨
        . 옅은 기체가 아주 뜨거울 때 또는 기체 방전할 때에,
        . 방출되는 연속 복사 스펙트럼이 예리한 선들로 구성됨

  ㅇ 한편, 이러한 현상을 응용하는 분야로써 분광학이 있음
     - 빛/복사선이 물질과 어떻게 상호작용하는가를 탐구하는 분야


3. 원자 분광 선 (선 스펙트럼) 현상에 대한 이론적 설명 => 양자론의 근거

  ㅇ 이는 고전물리학으로는 설명이 안되고, 양자역학으로 만 설명이 가능함
     - 즉, 원자 종류에 따라 특정 파장의 빛들 만을 흡수 및 방출하는 현상


4. 원자 방출 스펙트럼 (Emission Spectrum), 원자 흡수 스펙트럼 (Absorption Spectrum)

  ※ 특정 화학원소 마다, 고유한 흡수 및 방출 스펙트럼을 갖음            ☞ 흡수 및 방출 참조
     - 원소의 에너지 준위 구조가 서로 다르기 때문
     - 따라서, 화학원소 식별(정성 분석) 및 농도 분석(정량 분석)에 이용 가능 

  ㅇ 방출 스펙트럼  :  어두운 배경에 밝은 색
     - 들뜬 원자가 낮은 에너지 준위로 전이하면서,
        . 특정 파장의 빛을 방출할 때 형성됨
     - 측정 방법
        . 원자 기체 방전관, 불꽃, 플라즈마 등에서 방출되는 빛을 분광
        . 방출 강도를, 파장(주파수)의 함수로 측정
     - 특징 및 활용
        . 방출 선의 위치 → 원소의 종류
        . 방출 선의 세기 → 원소의 농도 정보
        . 고온 환경에서 특히 유용
     - 例) 네온사인에서 방출되는 빛 스펙트럼 선, 불꽃 반응에서의 나트륨 노란색 방출 선 등

  ㅇ 흡수 스펙트럼  :  밝은 배경에 검은 선
     - 원자가 낮은 에너지 준위에서 높은 준위로 전이하면서,
        . 특정 파장의 빛을 흡수할 때 형성됨
     - 측정 방법
        . 백색광(주로, 태양광 연속 스펙트럼)을 시료(주로 기체)에 통과시킴
        . 물질 시료의 흡광도를, 파장(주파수)의 함수로 측정
        . 어느 파장이 흡수되어 보이지 않는가로써 판단함
     - 특징 및 활용
        . 흡수 선의 위치 → 원소 식별
        . 흡수 선의 깊이 → 농도 분석
        . 방출 스펙트럼보다 실험적 재현성과 정밀도가 높아, 분석화학에서 더 흔히 사용됨
     - 관련 기법
        . AAS (Automic Absorption Spectroscopy, 원자 흡수 분광법)
     - 例) 태양빛 스펙트럼의 프라운호퍼 선 등


5. 수소 원자 분광 계열 (Hydrogen atom spectral series)

  ㅇ 들뜬 수소(H2) 기체에서 전기방전시 불연속적인 선 스펙트럼 방출
     

  ㅇ 발머 계열 (Balmer series, 1825~1898) : 수소 원자의 가시광선 부근 선 스펙트럼
     

     - 발머 공식 
       

        . 발머(Balmer,Johann Jakob) : 스위스의 중등 교사 (물리학자, 수학자)
           .. 1885년 수소 원자의 선 스펙트럼의 파장에 계열적 관계가 있음을 찾아내고,
           .. 스펙트럼 선들의 위치와 파장(진동수)를 계산하는 간단한 공식을 만들어냄

     - 리드버그 공식 (Johannes Rydberg, 1854~1919)
       
        . RH : 리드버그 상수, 1.097 x 107 [1/m]