원소의 확인 - 선 스펙트럼

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

무지개는 햇빛이 공기 중에 떠 있는 물방울에 의해 색이 분산되어 나타나는 자연 현상입니다. 햇빛은 여러가지 색이 섞여있는데 그 색깔마다 물방울 속에서 꺾이는 정도가 다르기 때문에 분산이 되는 것이죠. 빛을 프리즘에 통과시키는 것과 같은 원리입니다.

이런 원리를 이용해서 빛을 나눈 것을 스펙트럼(spectrum)이라고 합니다.

지난 자료에서 불꽃 반응으로 원소를 확인하는 방법을 공부했었는데요, 이번에는 스펙트럼을 이용해서 원소를 확인하는 방법에 대해서 공부해봅시다.

● 원소의 확인 - 불꽃 반응

*** 가시광선 [visible light, 可視光線]

- 한자 뜻: 가능하다 可, 보다 視

한자 뜻 처럼 '가시광선'이란 눈으로 볼 수 있는 빛(광선)을 말합니다.

그렇다면 눈으로 볼 수 없는 광선도 있을까요?

네, 있습니다.

여러분, 자외선(UV)을 차단하기 위해 선크림을 바르죠?

뼈를 다치면 병원에서 X레이 사진을 찍고요.

어두운 날 방송촬영을 하기 위해 적외선 카메라를 쓰기도 합니다.

자외선, 적외선, X레이. 모두 평소에 들어본 이름입니다.

하지만 이 광선들은 눈에 보이지 않죠.

전자기파는 파도처럼 일정하게 위아래로 진동합니다.

아래 그림 처럼요. 이런 모양을 '파동(wave)'이라고 합니다.

파동이 한 번 진동하는 거리를 '파장(wave length)'이라고 하지요.

광선의 종류마다 이 파장의 길이가 다 다릅니다.

그래서 파장의 길이로 전자파, 광선을 나누어 구분합니다.

한 번 보실까요?

파장의 길이에 따라 정말 다양한 종류의 광선이 있지요.

사실 우리가 볼 수 있는 가시광선은 이런 다양한 전자기파 중에 약 400nm~700nm 파장 범위 안에 드는 아주 작은 영역의 광선이랍니다.

(nm은 나노미터(nanometer)를 줄여쓴거에요. 1nm은 10억분의 1m 랍니다.. 사실 상상이 안될만큼 작은 길이죠)

자외선 [UV, ultraviolet rays, 紫外線] 이라는 이름은 보라색 바깥에 있는 빛이라는 뜻입니다.

보라색이라는 뜻의 한자 紫(자), 바깥이라는 뜻의 外(외)를 써서 이름을 붙인 것이죠.

적외선 [infrared ray, 赤外線] 도 빨간색 赤, 바깥 外(외)를 써서 빨간색 밖에 있는 빛이라는 뜻입니다.

보라색 쪽으로 갈 수록 파장이 짧아지는 게 보이시나요?

파장이 짧을 수록 힘이 강해지게 됩니다. 그래서 우리는 피부를 뚫고 들어올 수 있는 자외선(UV)을 차단하기 위해 선크림을 바릅니다.

파장이 더 짧은 X선(X-ray, 엑스레이)을 이용해 몸 속에 있는 뼈를 찍을 수도 있고요.

집에서는 파장이 긴 마이크로파(microwave)를 이용해서 음식을 데워먹기도 합니다. 전자레인지가 바로 마이크로파를 이용하는 기계죠. 그래서 전자레인지의 영어 이름이 'microwave range'인 것입니다. 재밌죠?

파장과 광선에 대해서 간단하게 알아봤으니 이제 무지개색 스펙트럼의 원리를 조금 더 자세하게 알아볼게요.

여러가지 색의 빛이 섞여있는 가시광선을 프리즘에 통과시키면 파장이 긴 빛(빨간색 쪽)은 조금 꺾이고, 파장이 짧은 빛(보라색 쪽)은 많이 꺾이게 됩니다. 이런 원리로 가시광선이 나누어져서 무지개색 스펙트럼이 되는 것이죠.

*** 스펙트럼 [spectrum]

스펙트럼이란 앞서 알아본 것 처럼 빛을 파장에 따라 나눠서 배열한것을 말합니다.

스펙트럼의 종류는 여러가지가 있지만 중학교 과정에서 알아야 할 스펙트럼은 두 종류 입니다.

먼저 가시광선 영역의 파장이 모두 있어서 연속되어 나타나는 '연속 스펙트럼(continuous spectrum)'이 있어요. 우리가 보는 무지개가 바로 연속 스펙트럼입니다. 아래 사진을 참고해주세요. 첫번째, 끊기지 않는 색깔의 띠가 연속 스펙트럼입니다.

두번째와 세번째 스펙트럼은 선(line, 라인)이 있죠. 이러한 스펙트럼을 '선 스펙트럼(line spectrum)'이라고 합니다. 선 스펙트럼에도 두 종류가 있어요. 발광 스펙트럼(emission spectrum), 흡수 스펙트럼(absorption spectrum). 우리가 자주 볼 선 스펙트럼은 두번째 모양인 발광 스펙트럼입니다.

그렇다면 선 스펙트럼은 왜 나타날까요?

연속 스펙트럼은 가시광선 영역의 파장이 모두 있어서 끊기지 않는 색깔이 나타난다고 했었지요.

반대로 선 스펙트럼은 특정 파장으로만 이루어진 빛이 들어왔기 때문에 그 파장의 띠 색깔만 나타나게 되는 것입니다.

이러한 선 스펙트럼의 성질을 이용해서 원소의 종류를 확인할 수 있습니다.

*** 선 스펙트럼 관찰하기

어떤 원소를 알아보기 위해 불꽃 반응 실험을 할 때 그 불꽃색을 프리즘이 들어있는 분광기 [spectroscope, 分光器]로 관찰하면 선 스펙트럼을 관찰할 수 있습니다.

분광기는 빛(光, 광)을 나누는(分, 분) 기계인데요, 아래 사진처럼 생겼습니다. 안에 프리즘이 들어있지요.

원소 마다 불꽃 반응색은 같아도 선 스펙트럼의 모양은 모두 다릅니다. 왜냐하면 원소에 따라 방출하는 빛의 파장이 다르기 때문이죠. 이런 원리를 이용해서 불꽃 반응색이 빨간색으로 같은 리튬(Li)과 스트론튬(Sr)을 선 스펙트럼 관찰로 구분할 수 있습니다.

실제로 여러가지 원소의 선 스펙트럼 실험결과 사진을 보여드리겠습니다.

어떤가요? 원소마다 선의 위치, 색깔, 개수가 모두 다르지요?

이렇게 선 스펙트럼을 이용해서 관찰하면 불꽃 반응색이 비슷한 원소도 구분해 낼 수 있습니다.

만약 두 가지 원소가 섞여있는 물질이 있다면 각 원소의 선 스펙트럼이 모두 합쳐진 모양의 스펙트럼을 관찰할 수 있겠지요 ^^

지금까지 선 스펙트럼의 원리와 관찰 방법에 대해서 알아보았습니다.

교과서나 참고서에서 나오는 선 스펙트럼에 대한 내용은 아주 짧고, 점선을 그어서 문제를 푸는 방법만 나와있습니다.

사실 중요한 것은 문제 풀이보다 스펙트럼이 생기는 원리와 선 스펙트럼이 왜 나타나는 지에 대한 공부라고 생각하는데 말이죠. 이런 부분이 안타까워서 문제 풀이에 도움되는 방법 보다 스펙트럼의 원리를 중심으로 자료를 만들어보았습니다.

선 스펙트럼 관련 문제는 아주 난이도가 쉽기 때문에 원리를 알고 풀어보면 어렵지 않게 풀어내실 수 있을겁니다. 그래서 문제 풀이 관련 자료는 만들지 않았습니다.

달빛과학 자료가 여러분에게 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다. 오늘도 열공하시길 바랍니다!

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