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분광학
분광학(分光學, Spectroscopy)은 분광기를 사용해 빛을 스펙트럼으로 나누어 연구하는 학문을 말한다. 각 원소는 빛, 파장, 에너지를 투과시키면 고유의 스펙트럼을 내뿜는데, 이것을 이용하여 관찰하고자 하는 화합물에 무슨 원소가 들어가 있는지를 파악할 수 있다. 이를 분광학이라 한다. 분석화학의 한 분야이다.
원래 파장(λ)에 따른 빛과 물질 간의 상호작용을 연구하는 학문이었다. 과거에는 주로 프리즘 등을 이용하여 파장 별로 분산된 가시광선을 관찰하는 것을 의미했다. 이후에 이 개념은 확장되어 파장 혹은 주파수(ν)에 따른 어떤 양을 측정하는 것을 뜻하게 되었다. 그래서 입자 복사와의 상호작용 혹은 주파수가 변하는 전자기장에 대한 반응을 연구하는 것도 분광학이라 불린다. 그뿐만 아니라 광자의 E=hν의 관계에 따라 파장이나 주파수 대신 에너지(E)를 변수로 사용하는 것도 포함하게 되었다. 파장이나 주파수의 함수로 주어지는 반응 값을 도표로 나타낸 것을 스펙트럼이라 부른다.
분광학은 이러한 반응 값을 측정하는 것이며 이러한 측정을 위해 사용하는 장치가 분광계 혹은 분광사진이다. 분광계라는 용어는 원래 분광학이 처음 시작된 광학 분야에서 유래한 것이다.
분광학은 물리와 분석화학 분야에 적용되는데 물질에서 방출되거나 물질에 흡수되는 스펙트럼을 분석하여 물질을 식별한다. 또한 분광학은 천문학이나 원격 센서에도 중요하게 사용된다. 대부분의 대형 망원경에는 분광계가 설치되어있으며 천체의 화학적 조성과 물리학적 특성을 측정하거나 스펙트럼선의 도플러 이동을 통해 천체의 속도를 측정하는 데 사용된다.
아주 간단하게는 불꽃색 방법을 이용한다.
1859년 독일의 화학자 로베르트 빌헬름 분젠이 '스펙트럼 분광법'이라 불리는 원소 분석 방법을 개발하면서 훨씬 분석이 정밀해졌다. 예를 들어 리튬과 스트론튬, 루비듐의 불꽃색은 붉은색으로 비슷하나 스펙트럼 분석을 사용하면 스펙트럼에 확연한 차이가 있음을 알 수 있다. 또 흡광 분석기 같이 분자들의 흡수파장을 이용해 물질의 농도를 알 수 있는 장비도 있다.
오늘날 분광계로는 주로 AAS를 이용한다. 하지만 만능은 아니라서 모든 원소를 정량분석하는 게 가능한 것은 아니다.
라만 분광법, 적외선 분광법, NIRS (근적외선 분광법) 등이 있다.
일반적인 분광학과는 결이 다르지만, 현대 천문학/천체물리학에서도 널리 쓰이며, 역사적으로도 태양의 분광 관측을 통해 헬륨이 처음 발견됐을 만큼 밀접한 관계가 있다.
개요[편집]
분광학은 원자, 분자 또는 물질에 의한 빛의 흡수와 복사 스펙트럼을 측정하여 물질의 성질을 분석/연구하는 학문 분야이다. 분광학 실험은 분광계, 분광광도계, 분광기 또는 분광 분석기 등의 분광 측정장치를 이용하여 빛을 파장의 함수로 측정한다.
역사적으로 주기율표의 여러 화학 원소에서 반사되거나 흡수되는 빛의 스펙트럼을 관찰하고 분석하는 것은 원자 구조, 에너지 준위 및 전이확률 등을 이해하는 데에 큰 기여를 했다. 원자와 분자가 독특한 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 물질의 물리적·화학적 분석에 분광학은 매우 유용하다. 결과적으로 측정된 스펙트럼은 원자와 분자에 대한 정보를 탐지, 식별 및 정량화하는 데에 사용될 수 있다.
분광학은 또한 양자역학의 발전의 핵심적인 역할을 했다. 막스 플랑크(Max Planck)의 흑체 복사, 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)의 광전 효과 및 닐스 보어(Niels Bohr)의 원자 구조 및 스펙트럼에 대한 설명 등이 중요한 예들이 될 수 있다. 분광학은 지구의 천문학과 원격 탐사에도 사용된다. 대부분의 연구 망원경에는 분광기가 존재한다. 측정된 스펙트럼은 천체의 화학적 구성 및 물리적 특성, 예를 들어 온도 및 속도 등을 실험적으로 측정하는 데에 사용된다.
사용하는 파장과 목적에 따라 다양한 종류의 분광학 분야가 존재한다. 자외선, 가시광선 및 적외선을 이용한 분광학뿐만 아니라, 상대적으로 더 긴 파장을 다루는 전파분광학, 짧은 파장에 해당하는 X선을 다루는 X선 분광학 등도 등장했다. 더 나아가서 전자의 에너지 스텍트럼을 연구하는 전자분광학, γ선을 이용하는 핵분광학, 또는 방사성원소에서 나오는 β선을 분석하는 β선 분광학 등도 있다.
원자 분광학의 개념은 일상생활에서도 몇 가지 예를 찾을 수 있다. 네온 조명의 경우, 네온 및 기타 가스와 전자의 충돌로 인해 가스 분자가 여기 되고 이후 고유한 주파수의 빛을 방출하여 색을 가지게 된다. 대기 중의 이산화질소는 특정한 적색광 흡수 특징을 가지며, 이로 인해 이산화질소로 오염된 공기는 적갈색을 띈다. 또 다른 예로, 잉크, 염료 및 페인트는 원하는 색상을 만들기 위해 특정 파장의 분광 특성을 가지는 화학 물질을 포함한다.
광스펙트럼의 역사[편집]
- 1666년 Issac Newton 가시스펙트럼 관찰
- 1812 Fraunhofer 흡수선 : Wollaston 및 Fraunhofer는 독립적인 연구를 통하여 태양스펙트럼에서 암흑선을 발견. Fraunhofer는 암흑선은 대기가 태양 자체의 빛을 흡수하기 때문이라고 발표
- 1853 August Beer : 빛의 흡수와 농도 사이의 관계 정리
- 1859 Kirchhoff 및 Bunsen의 방출실험 및 흡광실험 : 불꽃실험을 통해 여러원소의 다른 색상을 관찰
- 1868 Anders J. Angstrom : 약1,000개의 Fraunhofer 선에 대한 파장측정
- 1882 Abney 및 Festing : 50개 이상의 화합물에 대해 적외선 흡수스펙트럼 획득
- Milton 스펙트럼
분광학적 분석법[편집]
- 핵자기공명법 (NMR: Nuclear Magnetic Resonance)
- EPR 분광법(EPR: Electron Paramagnetic Resonance)
- 적외선 분광법 (IR: Infrared Spectroscopy)
- 라만 분광법 (Raman: Raman Spectroscopy)
- X-선 분광법 (XRF: X-ray spectroscopy)
- 감마선 분광법 (Gamma Spectroscopy)
- 자외선, 가시광선 분광법 (UV-Vis: Ultraviolet/Visible Spectroscopy)
- 근적외선 분광법 (NIR: Near Infrared Spectroscopy)
- Auger 전자분광법 (AES: Auger Electron Spectroscopy)
- X-선 광전자분광법 (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)
- 테라헤르츠파 분광법(THz TDS: Terahertz Time Domain Spectroscopy)
- 원소분광법 (AAS: Atomic Absorption Spectroscopy)
- 유도플라즈마분광법 (ICP-AES: Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission Spectroscopy)
- 타원 편광 분광법 (SE : Spectroscopic Ellipsometry)
- 분광학 현미경 (Vibrational Imaging)
- 라만분광학 현미경 (CARS Imaging: Coherent Antistoke Raman Scattering)
- 적외선분광학 현미경
노벨물리학상[편집]
- 1907년: '정밀한 광학장치 개발과 분광학적 측정' ( 마이컬슨-몰리 실험 )
- 1924년: 'X선 분광학 분야의 발견과 연구'
- 1981년: 레이저 분광학의 연구, 고분해능 전자분광학의 연구
- 1994년: 중성자 분광학의 연구와 응집물질 연구에서의 중성자 산란 기법의 개발
- 2005년: 광학 주파수 빗 기술을 포함하여 레이저 기반의 정밀 분광학의 개발에 관한 공헌
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
