방출스펙트럼

방출스펙트럼(emission spectrum)은 어두운 배경에 밝은 선이 나타나는 스펙트럼이다. 스펙트럼에 관한 키르히호프법칙에 따르면 밀도가 희박한 기체가 들뜨면 특정한 파장들에서 빛을 내게 되고, 이 빛의 스펙트럼은 방출스펙트럼이 된다(그림 1). 우주에서 방출스펙트럼 빛을 내는 천체는 희박한 원자 기체 덩어리인 성운이다. HII영역과 행성상성운이 대표적인 성운이다. 이 성운을 구성하는 원자들은 밝은 주변 별의 빛을 받아 들뜬 후에 되가라앉으면서 빛을 내는데, 이 때 나오는 빛의 스펙트럼이 방출스펙트럼이다. 또한 태양의 코로나나 초신성잔해를 구성하는 고온의 기체 속에 있는 원자, 이온들은 자유전자와의 충돌로 들뜬 후에 되가라앉으면서 빛을 내는데, 이 빛의 스펙트럼도 방출스펙트럼이다.

그림 1. 방출스펙트럼의 원리. 스펙트럼에 관한 제2키르히호프법칙을 설명(출처: 한국천문학회)

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방출스펙트럼은 기체가 들뜬 후 되가라않으면서 나오는 빛이 관측자로 향하는 경우에 생긴다. 이때 기체를 사이에 두고 관측자의 맞은 편에 밝은 광원이 있어서는 아니된다. 이런 광원이 있으면, 이 광원에서 나오는 빛이 기체를 통과하는 사이에 일부가 흡수될 수 있기 때문이다. 또한 기체의 한 부분에서 발생하여 관측자를 향하던 빛이 그 기체의 다른 부분에 의해 흡수되는 일이 거의 없어야 한다. 이런 조건을 만족하는 기체를 광학적으로 얇은(optically thin) 상태에 있다고 한다. 매우 희박한 기체는 대개 광학적으로 얇은 기체이다.

기체가 빛을 내려면 들뜸 과정(excitation)이 있어야 한다. 들뜸은 두 가지 방법을 통하여 이루어진다. 첫째, 기체를 구성하는 원자/이온은 자유전자와의 충돌로 들뜬다(충돌 들뜸, collisional excitation). 태양 코로나의 고온 기체는 매우 빠른 열적운동을 하는 자유전자와 충돌하여 들뜸으로 빛을 낸다. 형광등 안의 저온 기체는 외부전기장으로 가속된 자유전자와 충돌하여 들뜸으로 빛을 낸다(그림 2). 둘째, 강한 빛을 내는 광원이 기체 주변에 있으면, 기체는 이 광원의 조명을 받아 들뜬다(복사들뜸, radiative excitation).

그림 2. 형광등 방출스펙트럼. (출처: 채종철/한국천문학회)

방출스펙트럼을 내는 가장 대표적인 천체는 HII영역이다. HII영역은 젊고 무거운 별 주변에 존재하는데, 주변 기체를 구성하는 대부분의 수소가 전리되어있다. HII영역 기체는 생성된지 오래되지 않은 밝은 별들이 내는 강한 빛을 받아 들뜨게 되고, 자발적인 빛을 내는데, 이 빛의 스펙트럼은 바로 방출스펙트럼이다(그림 3). 또한 행성상성운도 뜨거운 중심 별에서 내는 빛을 받아 들뜨게 되고, 자발적인 빛을 내는데, 이 빛의 스펙트럼도 방출 스펙트럼이다. 태양의 코로나에서 나오는 빛의 스펙트럼도 방출스펙트럼이다.

그림 3. HII영역과 스펙트럼 예시. 예시된 HII영역은 우리은하의 장미성운이고, 예시된 스펙트럼은 외부은하에 속한 한 HII영역의 스펙트럼이다. (출처: 위-GettyimagesKorea, 아래-