[자연과학][일반화학실험] 원소의 스펙트럼 측정

1. Abstract & Introduction

① 실험 목적

선스펙트럼을 통하여 그 구성 원소를 파악할 수 있다. 수소, 헬륨, 나트륨의 방출 스펙트럼을 관측하고, 이를 바탕으로 흡수 스펙트럼의 적색편이를 상상해 보는 사고 실험을 행하여 본다. 선스펙트럼은 1860년에 독일 하이델베르그 대학교의 화학교수인 분센(Bunsen)과 그의 친구인 물리학 교수 키르히호프(kirchhoff)가 그 지역의 광천수에 들어있는 원소 분석에 관심을 가지고 불꽃 반응을 연구하다가 불꽃의 특이한 빛을 프리즘을 이용해서 파장별로 분리함으로써 처음으로 관찰되었다.
이 실험에서는 수소, 헬륨, 네온 등의 원소에 해당하는 방출 스펙트럼(emission spectrum)을 방전관(discharge tube)과 간단한 분광기(spectroscope)를 사용해서 관찰한다. 또한 NaCl과 LiCl의 혼합 고체 시료로부터 나트륨과 리튬의 방출 스펙트럼을 관찰하고, 적색편이된 나트륨과 리튬의 흡수 스펙트럼을 상상해서 그려보도록 한다. 멀리 떨어져 있는 은하계에서 나오는 별빛이 별의 대기 중에 들어 있는 나툼륨과 리튬에 의해 흡수된다면 무지개 색의 배경에 앞서서 관찰한 나트륨과 리튬의 방출 스펙트럼의 위치에 검은 선이 나타날 것이다. 만일 이 은하계가 엄청난 속도로 지구의 관측자에게서 멀어져 간다면 이 흡수 스펙트럼은 도플러 효과에 의해서 장파장 쪽으로 약간 옮겨갈 것이다.

② 실험 원리

빛은 입자성과 함께 파동성도 가지고 있다. 빛은 전기장과 자기장이 서로 수직되게 진동하며 전파되어 나가는 전자기 복사선(electromagnetic radiation)인 것이다. 프리즘을 이용하면 햇빛처럼 파장이 다른 여러 복사선으로 이루어진 백색광(white light)을 각각…

③ 실험 방법

실험 A) 1) 수소 튜부를 전극 사이에 넣은 방전관을 작동시킨다.

2) 분광기를 이용해 스펙트럼을 관찰한다.

3) 헬륨과 중수소 등을 이용하여 위의 실험을 반복한다.

2. Data & Results

① 수소와 중수소의 선스펙트럼

② 헬륨의 선스펙트럼

③ 나트륨의 선 스펙트럼

④ 리튬의 선 스펙트럼

⑤ 나트륨 + 리튬의 선 스펙트럼(사고 실험)

⑥ 적색편이 된 나트륨+ 리튬의 흡수 스펙트럼(사고 실험)

c.f) 문헌상의 스펙트럼 수치