원자스펙트럼

요약 자유로운 상태에 있는 원자가 복사 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼이다. 이때 흡수되는 빛은 원자 내 전자의 에너지준위와 깊은 관련이 있는데, 이는 전자의 에너지준위가 변할 때 빛을 방출하거나 흡수하기 때문이다. 원자스펙트럼은 선스펙트럼으로 나타나며, 이는 원자의 고유한 성질이다.

파장에 따른 빛의 굴절
비가 와서 공기 중에 수증기가 많은 날, 날씨가 다시 개어 햇빛이 비치면 무지개를 관찰할 수 있다. 태양은 여러 파장대의 빛을 방출하지만 특히 가시광선 영역에서는 모든 파장의 빛을 방출한다. 빨간빛부터 보랏빛까지 다양한 색의 빛을 한꺼번에 방출하면서 모든 빛이 합해져 우리 눈에는 흰 빛으로 보인다. 그런데, 비가 온 뒤 날씨가 갠 날에는 여러 색의 빛들이 공기 중의 많은 물방울들에 의해 저마다 다른 각도로 굴절하게 되면서 자신의 색깔을 내보인다. 이때 파장이 짧은 보랏빛이 가장 많이 굴절하고 파장이 긴 빨간빛은 가장 적게 굴절한다. 프리즘도 이와 비슷한 원리로 흰 색의 태양빛을 무지개 색깔의 여러 빛으로 나눈다.

태양빛의 스펙트럼
이렇게 여러 파장의 빛이 한꺼번에 들어올 때 빛들을 파장대 별로 나누어주는 프리즘 등을 이용해 분광기를 만들고, 분광기를 통해 태양빛을 보면 여러 색깔로 이루어진 띠를 관찰할 수 있는데 이러한 띠를 스펙트럼이라 한다. 태양빛의 경우 모든 파장의 빛을 방출하기 때문에 연속적인 스펙트럼을 보인다. 모든 실수로 이루어진 수직선이 연속적인 것과 비슷한 맥락이다.

불연속적인 원자스펙트럼
고온의 가스상태인 원자의 경우는 빛을 방출하기도 하고 흡수하기도 하는데 이것을 분광기로 관찰하여 얻은 띠를 원자의 스펙트럼이라고 한다. 그런데, 원자의 스펙트럼은 불연속적인 몇 개의 선으로 나타난다. 원자의 전자는 에너지를 흡수하여 들뜬상태가 되었다가 다시 안정한 바닥상태로 돌아오면서 빛을 방출하는데, 이때 전자가 이동할 수 있는 에너지준위가 불연속적이기 때문이다. 즉 아무 준위로나 이동이 가능한 것이 아니라 특정 준위들에서만 이동이 가능하다. 한 단의 높이가 10cm인 계단을 오르내릴 때 사람의 위치는 10cm, 20cm, 30cm 등만 가능하고 15cm의 위치를 가질 수 없는 것에 비유할 수 있다. 10cm → 20cm로 이동하면 10cm에 해당하는 에너지를 흡수하게 되며, 그에 해당하는 파장의 빛을 흡수하게 된다.  30cm → 10cm로 이동하면 20cm에 해당하는 에너지를 방출하게 되고 그에 해당하는 파장의 빛을 방출한다. 에너지를 흡수하는 경우를 관찰하면 흡수한 부분만 검게 나타나는 흡수스펙트럼을 얻을 수 있고, 에너지를 방출하는 경우를 관찰하면 방출한 부분의 빛이 나타나는 방출스펙트럼을 얻을 수 있다.