물리 27. 월러스톤

(가) 좁은 슬릿을 통과한 백색광을 프리즘에 입사시키면 여러 가지 색깔이 나타나는 현상을 볼 수 있다. 이와 같은 현상을 빛의 분산이라 하고, 분산된 빛에 의해 나타나는 색깔의 띠를 스펙트럼이라고 한다. 아이작 뉴턴은 햇빛과 같은 백색광을 프리즘에 투과시키면 빨강, 주황, 노랑, 초록, 남색, 보라로 분산되고, 또 이를 합치면 다시 백색광이 된다는 점을 확인했다. 빛이 프리즘을 통과할 때 여러 가지 색깔의 빛으로 분산되는 이유는 색깔에 따라 빛의 파장이 다르고, 또 파장에 따라 굴절률이 다르기 때문이다. 파장이 긴 빨간빛에서 파장이 짧은 보랏빛으로 갈수록 굴절률이 크다. 따라서 빨간빛은 조금꺾이고, 보랏빛 쪽으로 가면서 많이 꺾이므로 백색광이 색깔별로 나뉘어 나타난다. -고등학교 물리 Ⅰ, 중앙교육진흥연구소- (나) 스펙트럼의 종류는 세 가지로 나뉜다. 밀도가 높은 기체나 고체가 복사에너지를 방출할 때 형성되는 연속스펙트럼은 연속적으로 죽 늘어선 파장이다. 일반적으로 고온, 고압 상태의 기체에서 나오는 빛은 프리즘을 통과하면 연속스펙트럼이 된다. 선스펙트럼은 일련의 밝은 선들로 나타나며, 기체의 종류에 따라 달라진다. 나트륨 램프처럼 일정한 원소로 이뤄진 인공광이나 밀도나 낮은 고체가 고온 상태에서 빛을 발하는 경우 특정 파장 부분만 밝게 빛나는 선스펙트럼이 된다. 기체 상태의 모든 원소는 각기 고유의 선스펙트럼을 가지는데, 고온, 저밀도 상태에서 방출된 빛을 분광시킬 때 나타난다. 예를 들어 방전관 속에 나트륨 증기를 채워넣고 방전시키면 빛의 스펙트럼은 단순히 노란색이 나타난다. 흡수스펙트럼은 광원의 연속스페트럼 위에 중첩된 일련의 암선들, 즉 없어진 색깔들로 구성된다. 흡수스펙트럼은 연속스페트럼의 빛을 비교적 낮은 온도에 있는 기체에 통과시켰을 때 특정한 빛이 흡수되면서 나타난다. 기체의 종류에 따라 흡수스펙트럼의 파장대가 달라진다. 만약 이 기체를 전기 방전시키면 같은 파장대의 선스펙트럼이 나온다.

제시문을 참고해 밑줄 친 월러스톤의 결론이 잘못됐음을 설명하고 검은 선이 생긴 이유를 논하라.

빛의 굴절과 분산 법칙을 처음으로 기술한 뉴턴이 태양 스펙트럼을 관측했을 때, 그가 볼 수 있었던 것은 연속적으로 늘어선 색의 띠뿐이었다. 1802년 윌리엄 월러스톤이 렌즈를 사용해 개량형 분광계를 제작한 뒤 태양 스펙트럼을 스크린에 투사시켰더니 다른 현상이 관측됐다. 태양 스펙트럼에는 색이 고르게 퍼져있지 않고 색깔이 여기저기 빠져있었으며 대신 그 자리에 검은 띠가 나타났다. 그는 이 검은 선이 색 사이의 자연스러운 경계 때문에 나타난 현상이라고 생각했다.

 

 

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Solution

태양 스펙트럼에서 검은 선이 나타난 이유는 제시문 (나)에서 나온것처럼 흡수스펙트럼 때문이다. 태양은 밀도가 매우 높은 기체 덩어리이다. 태양 외곽에는 밀도가 비교적 작은 대기가 있기 때문에 흡수선이 보이게 된다.

태양 스펙트럼에 나타난 검은 선은 단순한 경계가 아니라 흡수스펙트럼이다. 태양과 지구 사이는 거의 진공 상태이기 때문에 태양 스펙트럼에서 나타난 흡수스펙트럼은 태양 바깥에 있는 물질이 만들어낸 현상이라 볼 수 있다.

태양은 저온의 얇은 대기층으로 이뤄져 있다. 태양은 밀도가 높은 기체 덩어리이기 때문에 연속스펙트럼을 내보낸다. 반면 태양의 외곽대기는 특정한 파장대의 흡수선을 나타낸다. 흡수 스펙트럼을 분석하면 태양의 대기 성분을 알 수 있고 태양 전체를 구성하는 물질 정보를 얻을 수 있다.