스펙트럼의 선의 위치가 일치하는 이유

Question

각 원자 내에서 두 전자껍질 사이의 에너지 차이가 항상 같은 곳에서만 전이가 있는건 아니기 때문에 스펙트럼의 선 위치가 바뀔수 있는데 한 원자내에서 두 전자껍질 사이의 에너지 차이가 같은 곳에서 전이가 일어났다면 스펙트럼에서 같은 파장 영역의 선이 생기니까 그 경우를 가지고 한 원소의 흡수선과 방출선의 위치가 같다고 하는거 아닌가요? 왜 선의 위치가 바뀌지 않는다고 하는건가요? 그리고 다른 원소와 에너지 차이가 같은 부분이 생길 수 있기때문에 특정 흡수선이나 방출선의 위치가 우연히 겹칠 수는 있는데 전체 조합은 달라서 고유하다고 말하는건가요?

Answer 1

안녕하세요.

이해하신 방향이 맞아요.

같은 원소에서 같은 두 에너지 준위 사이의 전이라면 흡수와 방출 모두 같은 파장에서 선이 나타나요.

원자에는 여러 에너지 준위와 전이 경로가 있어서 여러 위치에 선이 생기지만, 각각의 전이에 해당하는 위치 자체가 임의로 바뀌는 건 아니에요. 다른 원소와 특정 선 하나가 우연히 겹치는 경우도 있을 수 있어요. 하지만 전체적으로 보면 에너지 준위 구조가 달라서 선의 위치와 조합이 서로 다르게 나타나죠.

그래서 몇 개의 선이 겹치더라도 전체 스펙트럼을 보면 원소를 구별할 수 있다고 보는 것이구요.

감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

선의 위치는 전이가 일어나는 장소가 아니라 두 에너지의 준위의 차이로 결정되므로

같은 두 전위 사이 전이는 항상 같은 파장에서 나타납니다. 선의 개수,밝기는 조건에 따라 달라져도 위치는 변하지 않습니다. 서로 다른 원소의 선 하나가 우연히 겹칠 수는 있지만 전체 선 배열 패턴은 원소마다 고유하답니다.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

한 원자 안에는 에너지 준위가 여러 개 있고, 두 준위를 짝지을 때마다 선이 하나씩 정해져요. 어떤 전이가 일어나느냐에 따라 달라지는 건 어떤 선이 나타나느냐와 그 밝기이지, 각 선의 위치가 아니에요. 수소의 3번 준위에서 2번 준위로 가는 전이는 언제 어디서 일어나도 656.3nm에 선을 만들어요. 다른 준위 쌍에서 전이가 일어나면 그 쌍에 해당하는 다른 위치에 선이 새로 생길 뿐, 656.3nm 선이 옮겨가지는 않아요. 선의 위치가 바뀌지 않는다는 말은 이런 뜻이에요.

흡수선과 방출선이 겹치는 것도 에너지 차이가 우연히 같은 두 전이를 골라서 비교한 결과가 아니에요. 같은 준위 쌍을 반대 방향으로 오가는 전이라서 같은 위치에 나와요. 2번에서 3번으로 올라갈 때 656.3nm 빛을 흡수하고, 3번에서 2번으로 내려올 때 똑같은 656.3nm 빛을 내요. 그런데 상온의 기체는 대부분 바닥상태에 있어서 흡수선은 바닥상태에서 출발하는 전이만 주로 보여요. 그래서 흡수선은 모두 방출 스펙트럼 어딘가에 짝이 있지만, 방출선이 전부 흡수 스펙트럼에 나타나지는 않아요.

두 번째 질문은 그렇게 이해하시면 맞아요. 서로 다른 원소의 선 한두 개는 거의 같은 파장에서 겹칠 수 있어요. 하지만 선들의 위치와 상대적인 세기를 모두 모은 전체 패턴은 원소마다 달라서, 바코드처럼 원소를 구별하는 데 쓰여요. 실제 분석에서도 선 하나만 보지 않고 여러 선이 함께 나타나는지를 확인해서 원소를 판정해요. 별이 움직이거나 강한 자기장이 있으면 선이 조금 밀리거나 갈라지기도 하는데, 이건 원자 자체의 성질이 아니라 바깥 조건 때문에 생기는 변화예요 :)

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

원자 내 전자껍질의 주양자수에 따른 에너지 수준은 특정 값으로 고정되어 있으므로 동일한 두 껍질 사이를 전이할 때 방출하거나 흡수하는 빛의 에너지와 파장은 항상 일정하여 선의 위치가 변하지 않습니다 흡수선과 방출선은 전자가 동일한 두 에너지 상태 사이를 올랐다 내려가는 역과정이므로 동일한 파장 위치에서 정확히 일치하게 됩니다 한편 원자핵의 전하량과 전자 간 반발력이 원소마다 모두 다르기 때문에 두 원소가 모든 전자껍질 간 에너지 차이 조합까지 완전히 같아질 수는 없습니다 따라서 일부 선의 위치가 우연히 겹칠 수는 있어도 스펙트럼의 전체적인 선 배열 패턴은 원소 고유의 지문처럼 고유한 특성을 갖게 됩니다

Answer 5

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

일단은 원자 내에서 전자 껍질에 주 에너지 위치는 주 양자 수에 따라서 고정되어 있죠. 전자 전이가 일어날 때 방출되거나 흡수되는 에너지는 두 껍질 사이의 차이값과 일치합니다. 그래서 전자가 어디서 어디로 떨어지든 특정 조합의 에너지 차이는 항상 일정하죠. 그래서 한 원소 안에서 동일한 껍질 사이를 전이할 때는 스펙트럼 선의 위치가 변하지 않고 똑같은 자리에 찍히게 되는 겁니다.

그리고 말씀하신 대로 특정 선 하나는 다른 원소와 우연히 파장이 겹칠 수가 있죠. 그러나 각 원자는 전자의 개수와 핵 전하량이 다르고 에너지 준위 구조 자체가 다릅니다. 그래서 원자마다 나타내는 수십 또는 수백 개의 스펙트럼 선들에 전체적인 조합과 패턴은 세상에서 단 하나뿐이라고 할 수 있는 거죠. 그래서 결론적으로는 선 하나만 보는 게 아닙니다. 전체 지문과 같은 배열 패턴을 보기 때문에 원소마다 스펙트럼이 고유하다고 하는 겁니다.