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분광기
분광기(分光器, spectrograph)는 빛 따위 전자파나 입자선을 파장에 따라 스펙트럼 분석하여 그 세기와 파장을 검사하는 장치를 말한다. 프리즘 분광기, 격자 분광기, 간섭 분광기 따위가 있다.
개요[편집]
분광기는 전자기파를 파장에 따라 분산시켜 카메라를 사용하여 분산된 신호를 기록하는 장치이다. 즉, 물질이 방출하는 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼을 관찰하는 장치이다. 프리즘이나 회절격자와 같은 분산장치를 이용하여 빛을 분산시키고 카메라를 이용하여 스펙트럼을 기록한다. 천체의 빛을 모으는 망원경의 말단 부분에 분광기를 연결하여 별이나 은하, 분자운 등이 방출하는 전자기파의 스펙트럼을 얻는다.
측정 변인은 보통 빛의 세기지만 편광을 측정할 때도 있으며, 독립 변인은 일반적으로 빛의 파장 또는 파장과 상호 관계가 있는 파수·전자볼트 같은 광자 에너지의 직접적 단위이다. 분광기는 분광학에서 분광선을 만들어내고 그 파장과 세기를 측정할 때 사용한다. 분광기란 감마선, 엑스선에서 시작해 원적외선까지의 넓은 파장에서 작동되는 기구를 가리키며, 가시광선 근처에 영역이 한정된 경우에는 분광 광도계를 사용한다.[1][2]
특징[편집]
분광기는 물질이 방출 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼을 계측하는 장치이다. 파장스펙트럼의 좁은 영역을 분리시킨다. 좁은 뜻으로는 전자기파를 파장의 차이에 따라 분해하여 그 세기 분포를 측정하는 것이나, 넓은 뜻으로는 전자기파뿐만 아니라 전자선 등 입자선의 에너지 분석장치도 분광기라고 한다.
이용
리튬과 스트론튬의 구별, 세슘과 루비듐의 발견 등 원소를 구별할 수 있다. 또한 별의 스펙트럼선은 별의 광구와 별의 대기에 의해 생기므로, 이들 스펙트럼선을 분석해 보면 별을 이루는 구성 물질의 성분과 운동 상태, 온도 등을 알 수 있다.
분광학
스펙트럼의 관측으로부터 물질 중의 전자와 원자핵의 배열, 그리고 운동에 관한 정보를 얻을 수 있기 때문에, 분광학은 물질의 연구수단으로 매우 중요하다. 잘 알려진 빛과 열 외에 X선과 γ선, 마이크로파 등을 이용하여 연구한다
종류
간섭분광기는 많은 광선이 서로 간섭하게 만든 장치이며 대표적인 것으로 패브리페로간섭계(Fabry-Pérot interferometer)가 있다. 분해능이 매우 높으며, 원자핵의 성질 때문에 생기는 원자 또는 분자 스펙트럼선의 미세한 분리구조를 연구하는 데 사용된다. 격자분광기는 회절격자를 사용한 분광기로서, 서로 접근한 파장의 빛을 분리하는 성능이 크고, 또 유리에 의한 흡수가 없기 때문에 적외선이나 자외선의 분광에 적합하다. 평면격자·오목면격자·계단격자(階段格子) 등이 사용된다.
프리즘분광기는 예전부터 널리 사용되고 있는 분광기로 주요부분은 [그림]과 같이 콜리메이터, 프리즘, 망원경으로 되어 있다. 슬릿에서 들어오는 빛은 평행광선이 되어 프리즘에 들어가며 프리즘을 지날 때는 분산되고, 망원경을 적당한 위치까지 움직이면 그 초평면(焦平面)에 스펙트럼의 각 색에 의한 슬릿상(像)이 보인다. 척도관에는 유리의 눈금판과 렌즈가 양끝에 부착되어 있다. 뒤에서 램프로 눈금판을 비추면 그 빛이 프리즘에서 반사하여 망원경의 초평면에 눈금의 상을 만들어 스펙트럼의 각 선의 파장을 읽을 수 있게 한다.
또, 분산에 의한 편향각(偏向角)이 파장과 관계없이 일정하게 되는 정편각(定偏角) 프리즘을 써서 망원경을 고정한 채 프리즘대(臺)를 돌려 그 회전에서 직접 파장을 읽을 수 있는 파장분광계도 있다. 이밖에 직시(直視) 프리즘을 써서 휴대할 수 있게 한 직시분광기, 사진장치가 부착된 분광사진기 등도 이에 속한다.
적외선의 분광에는 보통유리를 쓰지 않고 넓은 적외선 영역에 대해서 투과능이 있는 암염이나 브롬화칼륨(KBr) 등으로 만든 프리즘을 사용하고, 스펙트럼의 검출부에는 열전기더미(熱電堆)나 볼로미터·뉴매틱 셀·광전도 셀 등을 써서 미소전류를 증폭하여 그 세기를 측정하는 방법이 쓰인다.[3]
분광의 원리[편집]
분광의 원리는 분산으로 파장이 다른 전자기파가 서로 다른 방향으로 진행하는 것이다. 빛을 분산시키는 주요 방법에는 프리즘이나 회절격자를 이용하는 두 가지 방법이 있다.
프리즘과 빛의 굴절
빛을 분산하는 가장 단순한 방법은 프리즘을 이용하는 것이다 (그림 1). 빛이 프리즘으로 들어오면, 진공을 이동할 때와는 다르게 속력이 줄고, 굴절된다. 이런 현상으로는 물이 담긴 컵 속에 연필을 넣으면 굽어 보이거나 연못이나 수영장 물은 모두 실제보다 얕아 보이는 것이 있다. 진공에서 빛의 속력은 일정하나, 대부분 매질에서 빛의 속력은 주파수에 따라 다르기 때문에 주파수에 따라 진행방향의 변화도 다르다. 그러므로, 색이 분리되어 보인다. 그림은 모든 파장이 섞여 있는 백색광이 삼각형 모양의 유리 프리즘에 들어오면서 빛이 분산되는 것을 보이고, 프리즘에서 나가면서 더욱 분산된다.
회절격자, 회절과 간섭
회절격자(grating)은 빛의 회절과 간섭의 특징을 이용하여 빛을 분산한다. 회절격자의 원어인 그레이팅은 홈이 일정간격으로 평행하게 파여 있는 것을 통칭하며, CD 의 홈이나 배수구의 일정한 간격도 그레이팅이라 한다.
빛은 좁은 구멍이나 얇은 슬릿을 지날 때 회절한다. 회절하는 정도는 파장과 비교해서 구멍이나 슬릿의 크기에 비례한다. 파장에 비해 슬릿의 크기가 크다면 회절의 범위가 좁다. 슬릿이 여러 개 있다면 한 개의 슬릿에서 회절된 빛은 다른 슬릿에서 회절된 빛과 중첩되어 간섭을 일으킨다. 빛의 세기가 강해지는 보강간섭과 약해지는 상쇄간섭이 있다. 이 때 파장에 따라 보강간섭이 일어나는 방향이 약간 달라지게 되어 파장에 따라 빛이 분산된다.
밝아지고 어두워지는 것을 간섭무늬나 회절무늬라고 한다. 그림 2는 슬릿이 한 개 있을 때와 두 개 있을 때의 간섭무늬를 보여준다. 단일파장 (단색광) 빛의 간섭무늬를 나타낸다.
회절격자는 수백 개의 선으로 된 얇은 홈이 파여져 있다. 빛을 투과하며 볼 수 있는 투명회절격자와 반사회절격자가 있다. 천문학의 보통 분광기에는 반사회절격자를 사용한다 (그림 3).[2]
분광기의 구조[편집]
분광기의 설계는 용도에 따라 다양하지만, 주요 구성요소는 그림과 같다 (그림 4). 망원경에서 모아진 광선은 초점면에 맺히고, 초점면을 지나면 다시 퍼진다. 이 상태로 빛을 분산시키기 어렵기 때문에, 조준장치(collimator)를 써서 평행광으로 만들어 준다. 평행광이 된 빛을 프리즘이나 회절격자를 이용하여 파장에 따라 분산 시킨 후 렌즈나 거울이 달린 카메라 센서에 영상을 맺히게 하여 스펙트럼을 얻는다.
분광기에 앞부분에 장착된 슬릿으로 빛의 일부분만 들어온다. 이 슬릿은 회절 설명할 때의 슬릿과 다른 것이다. 슬릿이 없다면 원 모양의 별빛이 그대로 분광기로 들어오게 되고, 파장에 따라 원형모양으로 분산되므로 근접한 파장의 영상이 겹쳐질 것이다. 분산된 영상이 겹쳐지지 않게 파장의 분해능을 높이기 위한 방법으로는 1) 회절 격자의 간격을 줄이거나, 2) 슬릿을 이용하여 각 파장의 빛이 겹치지 않도록 막는 것이다. 천문학자들은 얇은 슬릿을 사용하여 파장을 분해하고자 하나 이 때에는 충분한 양의 빛이 들어오지 않은 어려움이 있다.[2]
천체 분광기의 종류[편집]
단일 슬릿의 간단한 분광기는 작은 망원경에 주로 사용되고, 좀 더 복잡한 구조의 분광기도 천문학에서 사용된다.
에셀 분광기
에셸 분광기는 에셀 회절격자를 사용하는 분광기이다. 에셀 회절격자는 입사각이 매우 큰 빛의 회절 간섭 효율을 높임으로써 고분산 스펙트럼을 얻어내는 회절격자이다. 에셀 회절격자에서 얻어진 분산된 빛은 차수 겹침이 심한데, 또 다른 회절격자니 프리즘을 써서 이 분산된 방향과 수직인 방향으로 분산시키면, 차수 겹침이 해소된다. 이에 따라 스펙트럼 영상은 2차원 공간에 여러 줄로 쌓여진다. 각 줄의 스펙트럼은 천체 스펙트럼의 일부이고 스펙트럼의 끝과 끝을 연결하면 하나의 스펙트럼이 완성된다. 그림 5는 에셀분광기로 얻은 태양의 스펙트럼이다.
적분시야단위분광기(Integrated Field Unit Spectrograph, IFUS)
광섬유를 이용하여 망원경 초첨면의 여러 영역으로부터 빛을 받아 검출기에 각각의 스펙트럼을 얻어내는 분광기이다. IFUS는 천체의 각 지점의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 예를 들어, 나선은하의 회전속도를 영역에 따라 측정할 경우 혹은 수백 개 은하의 적색이동을 얻고자 할 때 유용하다.[2]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
