선 개수의 변화와 파장 겹침에도 스펙트럼으로 원소를 구별하는 원리

Question

원자 내 전자 전이는 상황에 따라 나오는 선 개수가 달라지고 다른 원소와 선 위치가 겹칠 수도 있는데 선스펙트럼으로 원소를 정확히 식별하는 원리가 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

원소를 가를 때는 선 하나가 아니라 여러 선이 어떤 간격으로, 어떤 세기 비율로 늘어서 있는지 전체 패턴을 봐요. 마트 상품의 바코드를 선 하나만 보고 읽지 않는 것과 비슷해요.

선 개수가 달라지는 건 불꽃이나 방전의 온도에 따라 전자가 얼마나 높은 준위까지 올라가느냐가 달라져서예요. 에너지가 낮으면 높은 준위를 거치는 전이가 일어나지 않아 약한 선들이 빠지지만, 나타나는 선의 위치 자체는 조건과 상관없이 늘 같은 자리에 찍혀요. 준위 사이의 에너지 차이는 원소마다 고정돼 있으니까요. 그리고 원소마다 농도가 아주 낮아지거나 온도가 낮아도 끝까지 살아남는 가장 강한 선이 몇 개씩 정해져 있어서, 분석할 때는 이 선들을 먼저 확인해요.

겹침은 두 가지로 해결해요. 먼저 분해능이 높은 분광기를 쓰면 0.01nm 수준 차이까지 떼어볼 수 있어서, 멀리서 한 줄로 보이던 선이 실제로는 두 줄로 갈라져 보여요. 그래도 겹치면 그 선은 판정에서 빼고 같은 원소의 다른 선들이 기대한 위치와 세기 비율로 함께 나타나는지 교차로 확인해요. 원소 하나가 우연히 한 선에서 겹칠 수는 있어도, 대여섯 개 선의 위치와 세기 비율까지 모두 맞아떨어지는 경우는 거의 없거든요 :)

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

원소마다 전자의 에너지 준위와 그 사이의 간격이 고유하기 때문에 전자가 전이할 때 나타나는 빛의 파장 조합도 고유한 특징을 가집니다 일부 선이 다른 원소와 겹치더라도 전체적인 선의 위치와 상대적인 세기 여러 파장에 나타나는 패턴을 함께 비교하면 구별할 수 있습니다 또한 선 개수가 달라지는 것은 전자 저이가 일어날 수 있는 조건이나 원자 상태가 달라지기 때문에 모든 선이 항상 관측되는 것은 아닙니다 실제 분광 분석에서는 표준 스펙트럼과 여러 파장의 패턴을 비교해 원소를 식별하므로 일부 파장이 겹쳐도 높은 정확도로 구별할 수 있습니다

Answer 3

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

원소마다 주민등록번호 같은 고유한 파장 지도를 가지고 있기 때문에 구별이 가능하죠. 전자가 이동하는 에너지 레벨 간격은 원소마다 다 다릅니다. 상황에 따라서 선 개수가 변할 수는 있죠. 하지만 나오는 선의 위치 자체는 절대로 바뀌지 않습니다. 선이 몇 개 안 보여도 고요한 위치값은 그대로 유지가 됩니다. 마치 지문이 조금 달았다고 해도 누구 지문인지 바로 알아보는 원리랑 똑같다고 생각하시면 이해가 편하실 것 같습니다.

그리고 선 위치가 일부 겹쳐지더라도 전체 파장 패턴과 빛의 밝기 비율을 보면은 싹 갈려낼 수 있습니다. 두 원소가 수많은 선 위치를 전부 똑같이 가질 순 없습니다. 한두 개 겹쳐도 다른 곳에 고유한 선이 반드시 남아 있기 때문이죠. 각 선마다 나오는 빛의 세기 비율도 원소별로 딱 정해져 있습니다. 그래서 이 전체적인 패턴을 데이터베이스와 비교해서 겹친 선을 분리하고 어떤 원소인지 정확하게 찾아내는 것입니다.