일반화학실험 | 분광기 만들기

 

 

 

TIP

 

 

분광기를 직접 만들어봄으로써 분광기의 원리를 이해하고, 제작한 분광기를 사용하여 빛이 분리되는 것을 확인해본다.

 

 

 

분광기

섞여 있는 여러 빛을 나누어 각각의 빛으로 분리하는 장치를 말한다. 우리가 생활하면서 눈으로 보는 빛은 가시광선이라고 하며 대부분의 빛들은 여러 색깔의 빛들이 섞여 보이는 경우가 많다. 예를 들면 밤에 방안을 환하게 비추는 형광등의 경우에도 눈으로 보기에는 흰색이지만 분광기를 사용해 확인하면 여러 다른 빛들이 섞여 있다는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 분광기를 사용하여 아주 작은 세계(미시계)에 대해서도 알 수 있다. 원자는 크기가 아주 작은 원자핵과 전자로 이루어져 있는 미시계이다.

 

따라서 우리는 원자의 구조를 눈으로 볼 수 없기 때문에 눈으로 보아서는 원자의 구조를 알아낼 수가 없다. 이러한 세계를 실험적으로 관찰하는 방법으로 분광학(spectroscopy)이 있다. 분광학은 어떤 원자, 분자, 이온 등이 흡수하거나 방출 할때 나타나는 특정한 빛(특정한 파장의 빛)을 측정하는 학문이다. 빛의 흡수나 방출은 미시계의 상태의 변화에 함께 일어난다. 즉, 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 변하면 두 상태의 에너지 차에 해당하는 에너지가 빛으로 나오고, 반대의 경우에는 빛이 흡수된다.

 

그런데 원자의 세계는 운동량이나 에너지가 높이가 들쭉날쭉한 계단처럼 불연속적인 세계이다.(양자화). 즉, 계단을 올라갈 때처럼 원자는 특정한 값의 에너지 혹은 운동량만을 가질 수 있다(우리가 계단을 올라갈 때 몇 계단을 뛰어 넘어 올라갈 수는 있지만 계단과 계단 사이를 밟고 올라 갈 수 없는 것처럼). 원자가 가지는 특정한 에너지 값에 해당하는 상태를 우리는 에너지 준위라고 부른다.

 

원자 내의 전자가 에너지를 받아서 높은 에너지 준위로 들떴다가 다시 낮은 에너지 준위로 내려오게 되면 두 에너지 준위의 에너지 차이 ΔE에 의해서 결정되는 특별한 빛을 방출하게 된다.(Bohr의 진동수 조건이라 부름.) 양자화 된 에너지 준위들 간의 에너지 차이는 특정한 값을 가지기 때문에 원자에서 방출되는 빛은 특정한 파장만을 가진다. 즉, 햇빛을 프리즘을 통과시켰을 때 나타나는 무지개의 연속 스펙트럼과 달리 특별한 빛(파장)을 갖는 선스펙트럼(line spectrum)이 된다.

 

 

원자의 에너지 준위는 핵의 전하와 핵 주위를 돌고 있는 전자의 수 및 그 배열에 따라 달라지므로, 원자들이 흡수하거나 방출하는 빛의 파장도 원자에 따라 달라지게 된다. 1860년대 Bunsen과 Kirchhoff은 각 원소의 선스펙트럼이 원소마다 고유하다는 사실을 밝혔고, 따라서 여러 원소가 섞여 있는 시료의 선스펙트럼을 얻으면 그 속에 들어 있는 원소의 종류를 알 수 있다는 사실을 발견하였다. 이런 사실은 새로운 원소의 발견에도 이용되었고 오늘날 다양한 원소의 분석에 활용되고 있다.

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실험 방법

1. 실험 방법

1) 단면도를 하드보드지 하얀 면 위에 딱풀을 사용하여 붙인다. 나중에 떼어내야 하므로 풀을 너무 많이 사용하지 않도록 한다.

 

2) 철자와 칼을 이용하여 단면도의 바깥 선을 따라 잘라낸다.

 

3) 잘라낸 하드보드지 위에 단면도의 안쪽 선을 따라 칼집을 낸다.

 

 

4) 단면도 상에 작은 네모부분을 잘라내고 면도칼이 1㎜이내 간격을 두고 마주보게 붙인다.

 

5) 반대쪽의 작은 동그라미부분을 펀치를 사용해 뚫는다.

 

6) Grating의 방향을 올바르게 하여 동그라미 부분의 안쪽에 테이프로 고정시킨다. 만약 반대방향으로 했을 경우 분광기가 제대로 기능을 못하게 된다.

 

 

7) 칼집 낸 곳을 따라 접고 테이프를 사용해서 빈틈없이 단단하게 붙인다.

 

8) 슬릿으로 들어오는 빛을 동그란 구멍을 통해 관찰해보고, 파장을 읽어본다.

 

 

 

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