안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
기체 방전관에 높은 전압을 걸면 기체 원자 내의 전자가 에너지를 얻어 들떴다가 다시 낮은 에너지 상태로 떨어지면서 두 에너지 차이에 해당되는 만큼 특정 파장의 빛을 방출하기 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.
방전관 양극에 전압을 걸면 자유 전자가 기체 원자와 충돌하며 원자 바깥을 돌던 전자가 충돌 에너지를 흡수하여 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 순간적으로 이동합니다. 들뜬상태의 전자는 매우 불안정하므로 짧은 시간 내에 다시 안정된 낮은 에너지 준위로 떨어집니다. 전자가 떨어질 때, 두 에너지 준위의 차이만큼에 해당하는 에너지가 빛 입자로 전환되어 방출됩니다.
원소마다 색이 다른 이유는 원자 내 전자가 존재할 수 있는 에너지 준위는 불연속적으로 정해져 있는데, 양성자 수와 전자 배치가 원소마다 모두 다르기 때문에, 각 원소가 가지는 고유한 에너지 준위의 간격 역시 모두 다릅니다. 방출되는 빛의 파장은 에너지 차이에 반비례하기 때문에 원소마다 전자가 이동할 때 발생하는 에너지 차이 값이 제각각이므로, 방출되는 빛의 파장과 진동수도 원소 고유의 값을 가집니다. 방출된 불연속적인 파장의 빛들이 섞여 우리 눈에 들어오기 때문에 원소마다 고유한 색으로 보입니다.