스펙트럼선 - Wikiwand

스펙트럼선(영어: Spectral line)은 균일하고 연속 스펙트럼에서 더 약하거나 강한 영역이다. 이는 주변 진동수와 비교하여 좁은 진동수 범위에서 방출 또는 흡광된 빛의 결과일 수 있다. 스펙트럼선은 종종 원자와 분자를 식별하는 데 사용된다. 이러한 "지문"은 이전에 수집된 원자^[1] 및 분자^[2]의 것과 비교될 수 있으며, 이를 통해 항성과 행성의 원자 및 분자 구성 요소를 식별하는 데 사용된다. 이는 다른 방법으로는 불가능할 것이다.

연속 스펙트럼

방출선 (불연속 스펙트럼)

흡수선이 있는 흡수 스펙트럼

스펙트럼선의 유형

스펙트럼선은 양자 시스템(보통 원자이지만 때로는 분자 또는 원자핵일 수도 있음)과 단일 광자 간의 상호 작용 결과이다. 광자가 시스템의 에너지 상태 변화를 허용할 만큼 적절한 양의 에너지(진동수와 연결됨)^[3]를 가질 때(원자의 경우 일반적으로 전자가 궤도를 변경하는 경우), 광자는 흡수된다. 그런 다음 에너지는 자발적으로 재방출되는데, 원래 광자와 동일한 진동수의 단일 광자로 방출되거나, 흡수된 광자 에너지의 합계와 동일한 에너지의 광자들이 계단식으로 방출될 수 있다(시스템이 원래 상태로 돌아간다고 가정).

스펙트럼선은 방출선 또는 흡수선으로 관찰될 수 있다. 어떤 유형의 선이 관찰되는지는 물질의 유형과 다른 방출원에 대한 상대적인 온도에 따라 달라진다. 흡수선은 뜨거운 광범위 스펙트럼원에서 나온 광자가 더 차가운 물질을 통과할 때 생성된다. 좁은 진동수 범위에서 빛의 강도는 물질에 의한 흡수와 무작위 방향으로의 재방출로 인해 감소한다. 반대로, 밝은 방출선은 뜨거운 물질에서 나온 광자가 감지될 때 생성되며, 이는 더 차가운 원천에서 나오는 광범위 스펙트럼이 존재할 때 발생할 수 있다. 좁은 진동수 범위에서 빛의 강도는 뜨거운 물질에 의한 방출로 인해 증가한다.

스펙트럼선은 원자에 매우 특이적이며, 모든 매질의 화학적 구성을 식별하는 데 사용될 수 있다. 헬륨, 탈륨, 세슘을 포함한 여러 원소가 분광학적 방법으로 발견되었다. 스펙트럼선은 또한 물질의 온도와 밀도에 따라 달라지므로, 멀리 떨어진 항성 및 기타 천체의 물리적 구성과 상태를 결정하는 데 널리 사용된다. 이러한 데이터 중 일부는 다른 방법으로는 얻거나 분석할 수 없으므로, 분광학 분야는 천문학적 및 망원경 탐사가 성장함에 따라 함께 성장했다.

물질과 그 물리적 조건에 따라 관련된 광자의 에너지는 크게 달라질 수 있으며, 전파에서 감마선에 이르기까지 전자기 스펙트럼 전체에서 스펙트럼선이 관찰된다.

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명명법

전자기 스펙트럼의 가시광선 부분에서 강한 스펙트럼선은 종종 고유한 프라운호퍼선 명칭을 갖는다. 예를 들어, 단일 이온화된 칼슘 원자(Ca⁺)에서 나오는 393.366 nm 파장의 선은 K로 지정되지만, 일부 프라운호퍼 "선"은 여러 화학종의 여러 선이 혼합된 것이다.

다른 경우, 선은 화학 원소의 명칭에 로마 숫자를 추가하여 이온화 수준에 따라 지정된다. 중성 원자는 로마 숫자 I로 표시되고, 단일 이온화된 원자는 II로 표시되는 식이다. 예를 들어:

Cu II — +1 전하의 구리 이온, Cu¹⁺

Fe III — +2 전하의 철 이온, Fe²⁺

더 자세한 명칭에는 일반적으로 선의 파장과 다중항 번호(원자 선의 경우) 또는 띠 명칭(분자 선의 경우)이 포함된다. 원자 수소의 많은 스펙트럼선도 라이먼 계열 또는 발머 계열과 같이 해당 수소 스펙트럼 계열 내에서 명칭을 갖는다. 원래 모든 스펙트럼선은 주 계열, sharp series, diffuse series로 분류되었다. 이러한 계열은 모든 원소의 원자에서 존재하며, 모든 원자의 패턴은 리드베리-리츠 공식에 의해 잘 예측된다. 이러한 계열은 나중에 하위 궤도와 관련되었다.

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선 폭 넓어짐과 이동

요약

관점

스펙트럼선 모양을 제어하는 여러 가지 효과가 있다. 스펙트럼선은 단일 진동수가 아닌 0이 아닌 범위의 진동수를 갖는 작은 스펙트럼 대역을 걸쳐 펼쳐진다(즉, 0이 아닌 스펙트럼 폭을 가짐). 또한, 그 중심은 명목상 중심 파장에서 이동할 수 있다. 이러한 넓어짐과 이동에는 여러 가지 이유가 있다. 이러한 이유는 두 가지 일반적인 범주로 나눌 수 있다. 즉, 국부 조건으로 인한 넓어짐과 확장된 조건으로 인한 넓어짐이다. 국부 조건으로 인한 넓어짐은 방출 원소 주변의 작은 영역에서 발생하는 효과 때문이며, 일반적으로 국소 열역학 평형을 보장할 만큼 충분히 작다. 확장된 조건으로 인한 넓어짐은 복사선이 관찰자에게 도달하는 경로를 통과하면서 스펙트럼 분포의 변화로 인해 발생할 수 있다. 또한 서로 멀리 떨어진 여러 영역에서 나오는 복사선이 결합되어 발생할 수도 있다.

국부적 효과로 인한 넓어짐

자연 넓어짐

들뜬 상태의 수명은 자연 넓어짐을 초래하며, 이는 수명 넓어짐이라고도 알려져 있다. 불확정성 원리는 들뜬 상태의 수명(자발적 복사 붕괴 또는 오제 과정으로 인한)과 에너지의 불확정성을 연결한다. 일부 저자는 "복사 넓어짐"이라는 용어를 자발적 복사 붕괴로 인해 발생하는 자연 넓어짐의 특정 부분에만 국한하여 사용한다.^[4] 짧은 수명은 큰 에너지 불확정성과 넓은 방출을 갖는다. 이 넓어짐 효과는 이동되지 않은 로렌츠 프로파일을 생성한다. 자연 넓어짐은 붕괴율이 인위적으로 억제되거나 향상될 수 있는 범위 내에서만 실험적으로 변경될 수 있다.^[5]

열적 도플러 넓어짐

복사선을 방출하는 기체 내의 원자들은 속도 분포를 가질 것이다. 방출되는 각 광자는 관찰자에 대한 원자의 속도에 따라 도플러 효과에 의해 "적색" 또는 "청색" 편이될 것이다. 기체의 온도가 높을수록 기체 내의 속도 분포가 넓어진다. 스펙트럼선은 방출된 모든 복사선의 조합이므로, 기체의 온도가 높을수록 그 기체에서 방출되는 스펙트럼선은 더 넓어진다. 이 넓어짐 효과는 가우스 프로파일로 설명되며 관련 이동은 없다.

압력 넓어짐

근처 입자의 존재는 개별 입자에 의해 방출되는 복사선에 영향을 미친다. 이 현상이 발생하는 두 가지 극한 경우가 있다.

충격 압력 넓어짐 또는 충돌 넓어짐: 다른 입자와 빛 방출 입자의 충돌은 방출 과정을 방해하고, 과정의 특성 시간을 단축함으로써 방출되는 에너지의 불확정성을 증가시킨다(자연 넓어짐에서 발생하는 것과 같이).^[6] 충돌의 지속 시간은 방출 과정의 수명보다 훨씬 짧다. 이 효과는 기체의 밀도와 온도 모두에 따라 달라진다. 넓어짐 효과는 로렌츠 프로파일로 설명되며 관련 이동이 있을 수 있다.
준정적 압력 넓어짐: 다른 입자의 존재는 방출 입자의 에너지 준위를 이동시켜(스펙트럼 대역 참조) 방출되는 복사선의 진동수를 변경한다. 영향의 지속 시간은 방출 과정의 수명보다 훨씬 길다. 이 효과는 기체의 밀도에 따라 달라지지만 온도에는 비교적 둔감하다. 선 프로파일의 형태는 교란 입자로부터의 거리에 대한 교란 힘의 함수 형태로 결정된다. 선 중심에 이동이 있을 수도 있다. 준정적 압력 넓어짐으로 인한 선형태의 일반적인 표현은 안정 분포로 알려진 가우스 분포의 4매개변수 일반화이다.^[7]

압력 넓어짐은 교란력의 특성에 따라 다음과 같이 분류될 수도 있다.

선형 슈타르크 넓어짐은 선형 슈타르크 효과를 통해 발생하며, 이는 방출체가 거리 $r$ 에 있는 대전 입자의 전기장과 상호작용하여 전기장의 강도에 선형적으로 비례하는 에너지 변화를 일으킨다. $(\Delta E\sim 1/r^{2})$
공명 넓어짐은 교란 입자가 방출 입자와 같은 종류일 때 발생하며, 이는 에너지 교환 과정의 가능성을 도입한다. $(\Delta E\sim 1/r^{3})$
이차 슈타르크 넓어짐은 이차 슈타르크 효과를 통해 발생하며, 이는 방출체가 전기장과 상호작용하여 전기장 강도의 제곱에 비례하는 에너지 변화를 일으킨다. $(\Delta E\sim 1/r^{4})$
반데르발스 넓어짐은 방출 입자가 반데르발스 힘에 의해 교란될 때 발생한다. 준정적 경우, 반데르발스 프로파일^{[note 1]}은 프로파일을 설명하는 데 종종 유용하다. 상호작용하는 입자 간의 거리에 따른 에너지 변화는 날개 부분에서 레너드-존스 퍼텐셜 등으로 주어진다. $(\Delta E\sim 1/r^{6})$

불균일 넓어짐

불균일 넓어짐은 일부 방출 입자가 다른 입자와 다른 국부 환경에 있어 다른 진동수에서 방출하기 때문에 발생하는 넓어짐에 대한 일반적인 용어이다. 이 용어는 특히 고체에 사용되는데, 표면, 결정립 경계 및 화학량론적 변화가 주어진 원자가 차지할 수 있는 다양한 국부 환경을 만들 수 있다. 액체에서는 불균일 넓어짐의 효과가 때때로 운동 좁아짐이라는 과정에 의해 감소된다.

비국부적 효과로 인한 넓어짐

특정 유형의 넓어짐은 방출 입자에 국한된 조건이 아니라 넓은 공간 영역에 걸친 조건의 결과이다.

불투명 넓어짐

불투명 넓어짐은 비국부적 넓어짐 메커니즘의 한 예이다. 특정 공간 지점에서 방출된 전자기 복사선은 공간을 통과하면서 재흡수될 수 있다. 이 흡수는 파장에 따라 달라진다. 선은 선 중심의 광자가 선 날개의 광자보다 더 큰 재흡수 확률을 가지기 때문에 넓어진다. 실제로 선 중심 근처의 재흡수는 너무 커서 선 중심의 강도가 날개보다 작아지는 자기 역전을 유발할 수 있다. 이 과정은 때때로 자기 흡수라고도 불린다.

거시적 도플러 넓어짐

움직이는 소스에서 방출되는 복사선은 유한한 시선 속도 투영으로 인해 도플러 편이가 발생한다. 방출하는 물체의 다른 부분이 다른 속도(시선 방향을 따라)를 가진다면, 결과적인 선은 넓어질 것이며, 선 너비는 속도 분포의 너비에 비례한다. 예를 들어, 항성과 같은 멀리 떨어진 회전하는 물체에서 방출되는 복사선은 항성 반대편의 시선 속도 변화로 인해 넓어질 것이다(이 효과는 일반적으로 회전 넓어짐이라고 불린다). 회전 속도가 빠를수록 선은 더 넓어진다. 또 다른 예는 Z-핀치에서 폭발하는 플라스마 껍질이다.

복합 효과

이러한 각 메커니즘은 단독으로 또는 다른 메커니즘과 조합하여 작용할 수 있다. 각 효과가 독립적이라고 가정하면, 관찰된 선 프로파일은 각 메커니즘의 선 프로파일의 컨볼루션이다. 예를 들어, 열적 도플러 넓어짐과 충격 압력 넓어짐의 조합은 포크트 윤곽을 생성한다.

그러나 다른 선 넓어짐 메커니즘이 항상 독립적인 것은 아니다. 예를 들어, 충돌 효과와 운동 도플러 편이는 일관된 방식으로 작용하여 특정 조건에서는 디케 효과로 알려진 충돌 좁아짐을 초래할 수도 있다.

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화학 원소의 스펙트럼선

띠

"스펙트럼선"이라는 문구는 한정되지 않은 경우, 일반적으로 전체 전자기 스펙트럼의 가시광선 대역에 있는 파장을 가진 선을 지칭한다. 많은 스펙트럼선은 이 범위 밖의 파장에서 발생한다. 더 높은 에너지에 해당하는 더 짧은 파장에서는 자외선 스펙트럼선에 수소의 라이먼 계열이 포함된다. 훨씬 더 짧은 엑스선 파장에서는 선이 특성 엑스선으로 알려져 있는데, 이는 화학 환경과 관계없이 주어진 화학 원소에 대해 거의 변하지 않기 때문이다. 더 긴 파장은 더 낮은 에너지에 해당하며, 적외선 스펙트럼선에는 수소의 파셴 계열이 포함된다. 훨씬 더 긴 파장에서는 무선 스펙트럼에 수소선이 포함되며, 이는 우주 전체의 중성 수소를 탐지하는 데 사용되는 21cm 선이다.

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같이 보기

내용주

[1]
"Van der Waals profile"은 거의 모든 자료에서 소문자로 나타난다. 예를 들어: Clive Anthony Croxton의 통계 역학 액체 표면(1980), A Wiley-Interscience publication, ISBN 0-471-27663-4, ISBN 978-0-471-27663-0; 그리고 [https://books.google.com/books?id=2XpVAAAAMAAJ&q=%22Van+der+Waals+profile%22&dq=%22Van+der+Waals+profile%22&hl=en Journal of technical physics, Volume 36, Instytut Podstawowych Problemów Techniki (Polska Akademia Nauk), publisher: Państwowe Wydawn. Naukowe., 1995,

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각주

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