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1. 원자의 스펙트럼
1.1. 원자 구조와 에너지 준위
원자는 양성자와 중성자로 구성된 원자핵 주위를 전자가 궤도를 돌며 존재한다. 전자는 원자핵 주위에서 특정 에너지 준위를 차지하고 있으며, 이 에너지 준위는 불연속적이다. 전자는 이 불연속적인 에너지 준위에서만 존재할 수 있다.
전자는 외부의 에너지를 받아들여 더 높은 에너지 준위로 이동할 수 있다. 이를 들뜸 상태라고 한다. 들뜬 상태의 전자는 불안정하기 때문에 다시 낮은 에너지 준위로 떨어지게 되는데, 이때 그 에너지 차이만큼의 에너지를 빛의 형태로 방출한다.
이렇게 전자의 에너지 준위 변화에 따라 방출되는 빛은 각 원소마다 고유한 파장 분포를 가지게 된다. 이를 원자의 스펙트럼이라고 하며, 이를 관찰하여 원소를 분석할 수 있다.
따라서 원자의 구조와 에너지 준위는 원자의 스펙트럼 발생의 근본 원인이 된다. 원자핵과 전자의 상호작용에 의해 결정되는 이러한 에너지 준위 구조가 빛의 방출 및 흡수 과정을 결정하며, 이를 통해 각 원소의 특성을 파악할 수 있게 된다.
1.2. 전자 전이와 스펙트럼 발생
원자는 양자역학적 개념에 따라 전자가 특정한 에너지 준위에 있게 된다. 전자가 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이동하면, 이 때 에너지 차이에 해당하는 빛이 방출되거나 흡수된다. 이러한 전자 전이 과정은 원자 스펙트럼 발생의 근본 원인이 된다.
전자가 바닥 상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)로 올라가기 위해서는 외부로부터 에너지를 흡수해야 한다. 이 때 흡수되는 에너지는 전자가 이동한 에너지 준위 차이와 정확히 일치한다. 반대로 들뜬 상태의 전자가 안정한 바닥 상태로 떨어질 때는 그 차이만큼의 에너지를 방출하게 된다.
이렇게 방출되는 에너지는 진동수(frequency)와 파장(wavelength)으로 표현되는데, 이는 플랑크 관계식 E = hν에 따라 결정된다. 즉, 방출되는 빛의 진동수와 에너지 준위 차이가 비례하는 것이다. 동일한 원자라도 서로 다른 전자 전이 과정에 따라 특징적인 스펙트럼선이 관찰된다.
따라서 원자 스펙트럼은 양자역학적 전자 전이 과정을 직접적으로 반영하고 있다고 할 수 있다. 각 원소의 고유한 에너지 준위 구조에 따라 방출되는 빛의 파장이 달라지므로, 관찰되는 스펙트럼선의 패턴을 통해 물질의 성분을 분석할 수 있다. 이는 방출 분광법의 핵심 원리로써, 원자 스펙트럼 연구의 중요한 의의를 지닌다.
1.3. 방출 분광법과 흡수 분광법
방출 분광법은 들뜬 상태의 물질로부터 방출되는 복사선을 측정하는 방법이다. 들뜬 상태의 원자가 바닥 상태로 전이될 때 발생하는 에너지 차이에 해당하는 빛을 방출하게 되는데, 각 원자가 고유의 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 방출되는 빛의 스펙트럼을 분석하면 물질의 성분을 파악할 수 있다. 이를 통해 방출 분광법은 물질의 성분 검사에 활용된다.
반면 흡수 분광법은 물질이 흡수하는 복사선을 측정하는 방법이다. 물질이 흡수하는 복사선의 세기를 흡광도로 나타내며, 이 흡광도는 복사선의 파장(진동수)에 따라 달라진다. 연속된 복사선 중 일부 파장의 복사선만을 통과시킨 후 통과 전후의 세기 차이를 비교하여 물질의 흡광도를 결정한다. 흡수 분광법은 특정 물질의 존재를 확인하고 물질의 양을 결정하는 분석 도구로 사용된다.
방출 분광법은 주로 자외선이나 가시광선 영역에서 활용되며, 물질에서 방출되는 복사선을 측정한다. 반면 흡수 분광법은 자외선, 가시광선 외에도 다른 스펙트럼 영역에서도 활용되며, 물질이 흡수하는 복사선을 측정한다는 점에서 차이가 있다.
따라서 방출 분광법과 흡수 분광법은 측정 대상과 측정 방법, 활용 분야에서 차이가 있는 분광학적 분석 기법이라고 할 수 있다.
2. 실험 기구와 방법
2.1. 분광기의 구조와 원리
분광기는 전자기파를 파장에 따라 분산시켜 물질이 방출하거나 흡수하는 빛의...
