[재밌는 양자역학] 5. 원자 스펙트럼(Atomic Spectrum)

안녕하세요 생각하는 공대생입니다!

오늘은 ~ 양자역학과 관련된 원자 스펙트럼에 대해서 알아보겠습니다!!

스펙트럼Spectrum이란 빛을 프리즘과 같은 분광기로 분해했을 때의 성분을 뜻합니다. 

파장에 따라 굴절률이 다르므로 분산을 일으키게 되어 파장의 길이 순서대로 배열된 것을 스펙트럼이라고 하죠 

스펙트럼에는 세가지 종류가 있는데요~

(가) 백생광을 프리즘 같은 분광기에 통과시킬 때 나타나는 연속 스펙트럼(Continuous spectrum) 

(나) 원자 증기 또는 분자에 빛을 쬘 때 흡수되는 빛을 흡수 스펙트럼(Absorption spectrum) 

(다) 원자 증기 또는 분자를 가열했을 때 방출되는 빛을 방출 스펙트럼(Emission spectrum)

(나)와 (다)는 통틀어서 선스펙트럼(Line spectrum)이라고도 합니다!

이번에는 왜 문제가 됐을까요?

이는 원자모형과 관련이 깊습니다.

아인슈타인이 광양자가설로 광전효과를 설명한 전후로(1905년)

과학자들은 다양한 실험을 통해 원자의 구조를 밝혀내고 있었습니다.

러더퍼드(Ernest Rutherford)는 실험을 통해 원자는 양전하가 가운데 몰려있고 

그 주위를 전자가 공전한다는 태양계 모델을 발전시킵니다.

그러나 이 모형에는 문제가 있었습니다.

네 그렇습니다 ㅋㅋㅋ

맥스웰의 고전 전자기학에 의한 계산은 전자가 핵 주위를 공전하면서 전자기 복사를 방출할 것이라고 예측하였습니다.

즉, 전자는 에너지를 잃고 급속히 안쪽으로 추락할 것이고  

 핵에 충돌하게 되며 모든 원자들이 매우 불안정한 상태가 된다는 심각한 오류가 발생하는 것이죠!!!

더군다나 추락할때는 나선형으로 돌면서 추락하기 때문에

전자기 복사는 연속적인 스펙트럼을 만들어내야 합니다.

그러나 고체나 액체에서는 비슷한 현상을 관찰 할 수 있었으나

기체에서는 결코 이런 스펙트럼을 관찰할 수 없었습니다.

역시 이를 해결하기 위한 해결사 등장이오~~

바로 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr) 입니다!!

보어는 세가지 가정을 통해 이를 해결하였는데

1.  전자는 핵주위를 안정하게 원궤도를 그리며 운동한다.

2. 전자의 각운동량은 양자화 되어 있다. (즉 전자가 있을 수 있는 에너지 궤도가 불연속적이다)

3. 전자가 높은 궤도에서 낮은 궤도로 떨어 질때 빛을 방출한다.

즉, 전자는 정해진 궤도에만 존재할 수 있고

에너지를 흡수하거나 방출하면서 한 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때 

"스르륵"하고 연속적으로 이동하는것이 아니라

"팟"하고 사라졌다가 "'팟"하고 나타남으로써 이동한다는 것이죠.

이를 양자도약(quantum jump)라고 합니다.

수소에 대해서는 스펙트럼 및 원자 반지름등을 거의 완벽하게 설명할 수 있게 되었으며 

불확정성의 원리 등이 나오게 되는 발판이 됩니다!!

보어 역시 이러한 공로로 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.

그러나 (ㅠㅠ)

 보어의 원자 모형은 애당초 수소 원자의 스펙트럼만을 설명하기 위해 나온 것으로, 

다른 원자에는 정확히 적용되지 않았습니다.

다른 원자의 선 스펙트럼에서는 두 궤도 사이를 이동할 때 방출하는 빛이 

하나가 아니라 미세한 선 여러 개인 것으로 갈라져서 나오는데, 

보어의 원자 모형으로는 이를 설명할 방법이 없었습니다.

후에 전자는 존재 확률로만 알 수 있다는 현대적 원자구름 모형이 나오면서

 주양자수가 같더라도 s오비탈과 p오비탈, d오비탈 등의 에너지 준위가 서로 다르기 때문이라는 사실이 밝혀지죠.

불꽃 반응 역시 이에 의해 명료하게 설명됩니다.

불꽃 반응이란 금속원자가 포함된 시약을 불꽃에 넣으면 특유한 색이 나타나는 것을 말합니다.

열에 의해 원자(또는 이온)의 전자들이 들뜬 상태로 전이했다 안정된 상태로 전이하며 방출하는 선 스펙트럼인 것이죠 !!

원자마다 오비탈 에너지 준위가 각기 다르기 때문에 방출 스펙트럼이 서로 달라 다른 색의 빛을 내는 것입니다.

다음에 계속