전자가 에너지를 방출할 때 선 스펙트럼이 나타나는 원리가 궁금해요

Question

수소 원자 방출 스펙트럼을 관찰하면 특정 파장의 선들만 띄엄띄엄 나타나는데, 이것이 왜 전자의 에너지 준위가 불연속적이기 때문인지 궁금합니다. 라이먼 계열과 발머 계열이 각각 어떤 영역의 빛을 방출하는지 알고 싶어요.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

수소 원자의 전자는 아무 에너지나 가질 수 없어요. Eₙ = −13.6/n² eV(n = 1, 2, 3…)로 정해진 값들 중 하나에만 머물러요. 높은 준위로 올라간 전자가 낮은 준위로 떨어질 때, 두 준위의 에너지 차이만큼을 광자 하나로 내보내요. 광자의 에너지는 E = hc/λ로 파장과 일대일로 대응해요. 그래서 준위 차이가 정해진 몇 가지뿐이면 나오는 빛의 파장도 그 몇 가지뿐이에요. 에너지가 연속적이었다면 무지개처럼 끊김 없는 스펙트럼이 나왔을 거예요.

어느 준위로 떨어지느냐에 따라 선들이 묶음으로 나뉘어요. 라이먼 계열은 n = 1(바닥 상태)로 떨어지는 전이예요. 낙차가 커서 파장 91~122nm의 자외선이 나오고, 눈에는 보이지 않아요.

발머 계열은 n = 2로 떨어지는 전이로, 대표적인 선 네 개가 가시광선이에요. 3→2가 656nm 빨강, 4→2가 486nm 청록, 5→2가 434nm 파랑, 6→2가 410nm 보라색이에요. n = 3으로 떨어지는 파셴 계열은 낙차가 더 작아 적외선 영역에 나타나요 :)

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

수소 원자의 전자는 정해진 에너지 준위 사이에서만 이동할 수 있어서 그 차이에 해당하는 특정 파장의 빛만 방출합니다.

그래서 스펙트럼이 띄엄띄엄한 선으로 나타난답니다. 라이먼 계열은 n=1로 떨어질 때 나오는 자외선, 발머 계열은 n=2로 떨어질 때 나오는 가시광선이랍니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

수소 원자에서 전자가 에너지를 방출할 때 선 스펙트럼이 띄엄띄엄 나타나는 이유는 전자가 허락된 특정 에너지 상태만을 가질 수 있기 때문입니다 높은 에너지 상태에 있던 전자가 더 낮은 상태로 이동할 때 두 상태의 에너지 차이에 정확히 맞는 빛만 밖으로 내뿜기 때문에 특정 파장의 선만 관측됩니다. 이때 전자가 가장 안쪽의 첫 번째 껍질로 떨어질 때는 자외선 영역에 해당하는 라이먼 계열이 나타납니다. 반면에 전자가 두 번째 껍질로 전이할 때는 우리 눈에 보이는 가시광선 영역인 발머 계열의 빛이 방출됩니다. 이처럼 선 스펙트럼은 전자의 불연속적인 에너지 이동이 만들어내는 원자 고유의 확실한 증거입니다

Answer 4

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

전자가 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어질 때 에너지가 빛을 뿜어냅니다. 그리고 에너지 층계가 끊어져 있어서 아무 빛이나 나오는 건 아니죠. 왜냐하면은 껍질 사이에 간격이 딱 정해져 있습니다. 그래서 그 간격에 딱 맞는 특정한 파장만 띄엄띄엄 선으로 나타나는 거입니다.

그리고 이 중에서 제일 밑에 첫 번째 껍질로 떨어지는 것을 라이먼 계열이라고 부릅니다. 이것은 에너지가 아주 커서 우리 눈에 안 보이는 자외선 영역이죠. 그리고 두 번째 껍질로 떨어지는 건 발머 계열이라고 합니다. 이건 에너지가 조금 더 작아서 우리 눈에 가시광선으로 보이게 되는 겁니다.