[일반화학] 03. 빛과 전자기파

파동: 전자기파는 빛의 일종이다.

파동(wave)이란, 한 지점에서 다른 지점으로 주기를 가지며 이동하는 에너지의 이동형태를 의미한다.

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그림 1. 파장과 진동수, 그리고 진폭

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전자기파는 빛의 일종이며, 진공을 지나는 전자기파는 파동의 성질을 띤다.

- 파동은 진동수, 파장, 진폭 등의 물리량으로 설명된다.

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1. 진동수(f 또는 ν): 단위 시간 당 일정한 지점을 통과하는 파동의 꼭대기수

2. 파장(λ): 정상~정상 간의 거리 또는 골~골 간의 거리

3. 진폭(A): 정상과 골 간의 수직 거리의 1/2

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※ ν: 뉴(그리스 문자 nu), λ: 람다(그리스 문자 lambda)

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복사에너지의 세기는 진폭의 제곱에 비례한다.

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빛의 속력

진공에서의 빛의 속력은 고정된 상수이며 그 값은 다음과 같다.

여기서 빛은 파장의 특성을 지니는데, 파장의 속력은 다음과 같은 식으로 구해진다.

따라서, 빛의 진동수를 알면 그 빛의 파장을 구할 수 있고 반대로 빛의 파장을 알면 그 빛의 진동수를 계산할 수 있다.

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그림 2. 다양한 빛의 종류와 그 특성들

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빛은 파동의 진동수에 따라 여러가지 종류로 구분된다.

- 우리 눈에 인지되는 가시광선(visible lights)을 기준으로 파장이 긴(진동수가 적은) 파와 짧은(진동수가 많은) 파로 분류할 수 있다.

1. 자외선, 마이크로웨이브, 라디오파는 가시광선보다 긴 파장을 가지고 있다.

2. 적외선, X선, 감마선은 가시광선보다 짧은 파장을 가지고 있다.

3. 가시광선은 380~780nm의 범위를 가진 전자기파이다.

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그림 3. 가시광선의 분석

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플랑크의 발견

Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947)

독일의 킬(Kiel)에서 태어나 베를린에서 이론 물리학을 가르친 막스 플랑크는 1899년 물리학의 기본 상수인 플랑크 상수(Planck constant)를 발견한다.

플랑스 상수는 양자(입자, 광자)가 가진 에너지와 드브로이 진동수의 비로 계산된다.

따라서, 빛 에너지의 크기를 다음과 같이 정의할 수 있다.

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빛 에너지의 크기

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- 빛 에너지의 크기는 진동수에 비례하고 파장에는 반비례한다.

- c는 빛의 속력이다.

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플랑크 상수를 고안한 1년 뒤, 그는 플랑크의 복사법칙(Plancksches Strahlungsgesetz)을 발견했고 이를 계기로 에너지의 최소단위인 '양자'를 주창했다.

- 양자(quantum): 물리학적인 상호작용에 관련한 모든 물리적 실체의 최소 단위, 물리학의 상호작용은 에너지 단위로 설명될 수 있기 때문에, 최소 단위 역시 에너지의 단위로 기술된다.

- 양자화 시스템(quantum system): 물리적 성질의 기본요소는 양자화되어 있다.

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흑체복사

흑체복사(blackbody radiation): 흑체복사는 어떤 고체 물질에 열을 가했을 때 빛을 내는 현상이다.

- 고체 물질을 뜨겁게 가열하면 원자와 원자 내의 전자가 에너지를 받는데, 특히 원자 내 전자는 진동하거나 높은 에너지 상태로 들뜨게 된다.

- 이후 높은 에너지 상태의 전자는 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 그 차이 만큼의 에너지를 빛의 형태로 방출하게 된다.

- 빛의 형태로 방출한 에너지는 파동의 성질을 가지므로, 정량적인 값을 구할 수 있다.

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그림 4. 뜨겁게 가열된 금속이 보여주는 붉은색은 금속 내의 들뜬 전자가 안정화되면서 보내는 빛이다.

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