수소원자의 선 스펙트럼
그림 1. 원자마다 다른 선 스펙트럼
1885년, 스위스의 수학자이자 물리학자였던 요한 발머(Johann Jakob Balmer, 1825-1898)는 말년에 스펙트럼 연구를 통해 원자가 갖는 고유한 선 스펙트럼을 수식화하는 데 성공했다.
Johann Jakob Balmer (1825-1898)
그림 2. 발머의 실험
1. 진공 상태의 방전관에 수소 기체를 저압상태로 만든 뒤 고전압을 걸면, 음극으로부터 튀어나온 전자가 양극으로 이동하다가 수소 분자의 껍질에 존재하는 전자와 충돌하게 된다.
2. 이때의 충돌로 인해 수소 분자의 전자는 들뜨게 되고, 들뜬 전자가 이후 바닥상태로 돌아가면서 전자 껍질 간 에너지만큼이 다시 빛의 형태로 방출된다.
3. 들뜬 전자가 바닥 상태로 돌아가면서 내뿜는 빛의 성분을 프리즘에 투과시키면 빛이 분해되면서 선 스펙트럼이 얻어진다.
- 고에너지 상태의 수소 내 전자가 이후 방출한 빛을 프리즘(prism)에 투과시키면 특정한 선 스펙트럼이 얻어진다.
- 가시광선 영역에서 관찰되는 선은 총 4개이다.
(1) 656.3nm
(2) 486.1nm
(3) 434.0nm
(4) 410.1nm
수소원자의 선 스펙트럼 실험을 통해 전자의 이동 시 그 차이만큼의 에너지 '흡수 및 방출'이 일어남을 확인하게 되었다.
- 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전자가 여기될 때, 전자는 그 에너지 차이만큼의 에너지를 흡수한다.
- 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전자가 안정될 때, 전자는 그 에너지 차이만큼의 에너지를 방출한다.
그림 3. 네온사인의 불빛 역시 선스펙트럼의 원리를 응용한 것이다. / Neon signs operate by exciting a gas at low partial pressure using an electrical current.
발머는 4개의 분리된 스펙트럼 정보로 가시 파장(visible wavelengths)와 밀접한 경험식(empirical equation)을 유도(1885)했다.
Balmer Series(발머계열)
- λ: 파장
- R: 리드버그 상수(Rydberg constant: 1.097×10^7[1/m])
- n: 전자의 에너지 준위
■
그림 4. 발머 계열 경험식에서 n은 에너지 준위를 의미한다.
n=2보다 높은 에너지 준위에서 n=2로 전자가 전이되면서 방출하는 빛은 '가시광선'이고 이때 빛들을 발머 계열이라고 부른다.
라이먼 계열과 파셴 계열
1. Lyman series: n=1보다 높은 에너지 준위에서 n=1로 전자가 전이되면서 방출하는 빛은 자외선이고 이때 빛들을 라이먼 계열이라고 부른다.
2. Paschen series: n=3보다 높은 에너지 준위에서 n=3으로 전자가 전이되면서 방출하는 빛은 적외선이고 이때 빛들을 파셴 계열이라고 부른다.
발머 계열을 포함한 전 계열에 대한 (일반적인) 경험식은 다음과 같다.
#화학 #일반화학 #발머계열 #라이먼계열 #파셴계열 #수소원자 #선스펙트럼
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