1. 개요
分光學 / Spectroscopy분석화학의 하위 분야 중 하나. 물질에 빛을 비추어서 흡수, 방출 등과 같이 빛이 변하는 방식을 분석해, 그 물질이 어떤 성분으로 이루어져 있고 어떤 특징을 가졌는지 알아내는 학문이다. 프리즘과 같은 분광기를 사용하여, 이를 위해서 빛을 파장에 따라 쭉 나열하여 스펙트럼을 만들고, 이 스펙트럼을 통해 물질의 특성을 연구한다.
2. 설명
물질은 고유한 에너지 상태를 가지고 있으며, 빛(전자기파)은 입자이면서 파동의 성질을 가지고, 특정한 에너지를 가지는 광자 형태로 물질과 상호작용할 수 있다.빛이 물질에 닿으면, 그 빛의 에너지가 물질의 전자를 더 높은 에너지 상태로 이동시키면서, 그 빛은 흡수된다. 반대로 높은 에너지 상태의 전자가 다시 낮은 에너지 상태로 돌아올 때 및이 방출된다. 이때 방출되거나 흡수된 빛은 특정한 파장(색깔)을 가지며, 이를 통해 물질의 고유한 스펙트럼(파장 분포)를 얻을 수 있다. 이러한 스펙트럼은 각 원자나 분자의 고유한 에너지 준위에 따라 결정되므로, 마치 지문처럼 물질의 정체를 구별하는 데 사용된다.
예를 들어, 불꽃 반응 실험은 금속 원자가 방출하는 특정 파장의 빛(가시광선의 색깔)을 관찰하여 해당 금속의 존재를 확인하는 간단한 실험이다. 이 과정은 금속 원자의 전자 구조와 에너지 준위와 관련이 있다.
더 나아가서 빛의 방출을 원자의 선 스팩트럼을 형성한다. 불꽃 반응 실험은 단순히 색깔을 관찰하지만, 더 정밀한 분석에서는 분광기를 사용하여 빛의 파장을 정량적으로 측정하고 금속의 종류를 정확히 확인할 수 있다. 예를 들어서 리튬과 스트론튬, 루비듐의 불꽃 반응을 육안으로 관찰하면 모두 붉은색으로 비슷하지만, 원자 방출 스펙트럼 분석을 통해, 각 원소가 방출하는 빛의 파장이 다르다는 것을 알 수 있다.[1]
물질과 빛(전자기파) 사이의 상호작용은 흡수와 방출 외에도 다양한 형태로 일어난다. 예를 들어서, 빛이 물질에 부딪혀 진행 방향이 바뀌는 현상인 산란, 빛이 한 매질에서 다른 매질로 이동할 때 속도와 뱡향이 변하는 현상인 굴절, 적절한 에너지를 가진 빛이 물질에 흡수되면 발생하는 분자의 회전 및 진동 등이 있다. 이러한 및과 물질의 상호작용들은 물질의 성질을 탐구하는 데 사용된다.
3. 역사
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| 아이작 뉴턴의 스펙트럼 실험 |
1672년 아이작 뉴턴은 빛에 대해 연구하면서 프리즘을 이용해 태양빛을 관찰했다. 그는 프리즘을 통과한 태양빛이 일곱 빛깔 무지개 색깔처럼 여러 가지 색으로 나뉘는 것을 발견했고, 이를 스펙트럼이라고 불렀다.
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| 프라운호퍼선 |
1814년 요제프 폰 프라우호퍼는 자신이 개발한 분광기로 다양한 현상을 관찰했다. 그는 나트륨염이 불꽃에 타면서 생기는 노란색 빛(나트륨 D선)을 발견했다. 그는 나트륨뿐만 아니라 다른 원소들도 스펙트럼에서 특정한 흡수선(어두운 선)을 만든다는 사실을 또한 발견했다. 이 발견은 특정 원소가 특정 파장의 빛을 흡수하거나 방출한다는 사실을 보여주는 증거로, 이후 분광학의 기초를 마련하는 데 중요한 역할을 했다. 또 태양빛의 스펙트럼을 분석하여 570여 개의 수많은 검은 선(프라운호퍼선)을 발견했다.
1859년 로베르트 빌헬름 분젠와 구스타프 키르히호프가 오늘날 '원자 방출 분광법'에 속하는 원소 분석 방법 및 분광기를 개발하면서 훨씬 물질 분석이 정밀해졌다. 그들은 금속염을 붗꽃에 넣고 그 빛을 분광기를 통해 스펙트럼을 관찰했다. 이 스펙트럼을 통해서, 금속 원소가 빛을 흡수하면서 생기는 검은 선들이 발견되었고, 이 검은 선들의 위치는 빛을 통과시키지 않았을 때 붗꽃에서 나오는 빛의 선과 똑같은 위치에 있다는 사실을 발견한다. 이 발견을 통해 특정 원소가 특정 파장의 빛을 흡수하거나 방출한다는 사실을 알아냈다. 이를 토대로 다양한 원소로 이루어진 물질의 성분을 파악할 수 있다는 것을 유추했다.
이는 태양빛이 만들어낸 스펙트럼인 '프라운호퍼선'을 설명하는데 중요한 단서가 되었다. 태양의 주위의 차가운 대기층에 존재하는 원소가 태양빛을 흡수하기 때문에 프라운호퍼선이 생긴 것이었고, 이는 헬륨이 처음 발견되는 계기가 되었다.
20새기에 들어서 양자역학의 발전으로 빛이 전자기파의 일종이며, 입자의 성질을 갖는다는 사실이 밝혀지고, 원자나 분자가 갖는 에너지의 상태에 대한 연구에 가속이 붙으면서, 분광학을 통해 물질을 구성하는 원자의 종류를 알아내는 단계에서 더 나아가 분자의 구조또한 알 수 있게 되었다. 분자는 전자의 에너지 상태 이외에도 진동과 회전에너지를 가지며, 이 에너지들로 인해 분자의 구조가 결정된다. 분자는 전자 에너지가 변할 때 자외선과 가시광선을, 진동에너지가 변하면 적외선을, 회전에너지가 변하면 파장이 긴 마이크로파를 흡수하거나 방출한다. 즉 분자의 스펙트럼을 분석하면 분자 내 원자 간 결합 거리 및 각도 등 분자의 구조를 더 자세히 파악할 수 있다.
분광학은 천문학·천체물리학에도 큰 영향을 미쳤다. 역사적으로는 태양의 분광 관측을 통해 헬륨을 처음 발견하였고, 별 등에서 나오는 빛의 스펙트럼을 조사하여 그 별의 성분을 조사하는 등 여러모로 사용된다.
4. 분광법
분광법이란 분광학의 원리를 바탕으로 스펙트럼을 측정하고 물질을 분석하기 위해 사용되는 기술 및 방법이다. 분광법의 대략적인 종류는 다음과 같다.- 흡광 분광법(Absorption Spectroscopy)
- 적외선 분광법
- NIRS(근적외선 분광법)
- 원자 흡수 분광법(AAS, Atomic Absorption Spectroscopy)
- 방출 분광법(Emission Spectroscopy)
- 산란 분광법(Scattering Spectroscopy)
- 열탈착 분광법
- 핵자기공명분광법
5. 관련 노벨물리학상 수상 목록
- 1907년: 정밀한 광학장치 개발과 분광학적 측정 (마이컬슨-몰리 실험)
- 1924년: X선 분광학 분야의 발견과 연구
- 1981년: 레이저 분광학의 연구, 고분해능 전자분광학의 연구
- 1994년: 중성자 분광학의 연구와 응집물질 연구에서의 중성자 산란 기법의 개발
- 2005년: 광학 주파수 빗 기술을 포함하여 레이저 기반의 정밀 분광학의 개발에 관한 공헌
[1] 리튬은 670.8㎚와 610.4㎚의 방출 선을, 스트론튬은 674.9㎚와 607.4㎚의 방출 선을, 루비듐은 780.0㎚와 794.7㎚의 방출 선을 가진다.