📂물리학

스펙트럼과 프라운호퍼 선

설명^{1 2 3 4}

스펙트럼이란 분광학의 연구 대상으로 빛을 여러 색으로 분해한 것을 말한다. 흔히 제일 처음 보게되는 스펙트럼의 그림은 위와 같이 가로, 혹은 세로로 긴 형태의 선 스펙트럼 이다. 하지만 스펙트럼이 처음부터 이러한 형태를 띄었던 것은 아니다. 프리즘을 통해서 빛을 여러 색으로 분해시킬 수 있음을 처음 발견한 사람은 뉴턴이다. 뉴턴은 빛을 조그만 구멍을 통과시킨 후 다시 프리즘을 통과시켰기 때문에 이런식으로 얻은 스펙트럼은 아래와 같이 원 모양이었다.

이후 영국의 물리학자 윌리엄 월러스턴^{William Hyde Wollaston} 이 조그만 구멍 대신에 가늘고 긴 구멍인 슬릿에 빛을 통과시킨 후 프리즘으로 분해하여 스펙트럼을 막대 모양으로 관찰할 수 있는 방법을 개발했다. 선 스펙트럼이 관찰하기 더 쉽기 때문에 더욱 정밀한 분석이 가능해졌다. 월러스턴은 이런식으로 햇빛의 스펙트럼을 분석하다가 일정한 위치에 검은색 줄이 수직으로 나타나는 현상을 발견했다. 이는 햇빛에 특정한 색깔(파장)의 빛이 포함되어 있지 않다는 것을 의미했다. 월러스턴은 이 현상에 큰 관심을 가지지 않았지만 프라운호퍼^{Joseph von Fraunhofer} 는 더 자세히 들여다보았다. 프라운호퍼는 독일 고위 관료였던 우츠슈나이더^{Joseph von Utzschneider} 의 정밀 기기 회사에서 광학 사업에 큰 업적을 쌓은 사람이었다. 프라운호퍼는 가지고 있던 뛰어난 기술로 태양광의 스펙트럼을 더욱더 정밀하게 연구했다.

위 그림은 프라운호퍼가 직접 그리고 색칠한 태양광 스펙트럼이다. 프라운호퍼는 태양광 스펙트럼에서 월러스턴이 관찰했던 것보다 더 많은 검은색 선이 나타난다는 것을 알게 되었다. 월러스턴은 몇 개의 선을 관찰했을 뿐이었지만 프라운호퍼는 무려 574개의 선을 발견했다. 프라운호퍼는 파장과 위치에 따라 이 선들에 A부터 Z까지 이름을 붙였고, 이는 아직까지도 쓰이고 있다. 이러한 선들을 가리켜 프라운호퍼 선^{Fraunhofer Lines} 이라 부른다.

프라운호퍼가 그렇게 연구를 이어가던 와중 자신이 D라고 이름 붙인 선이 나르튬의 분광실험에서 나타나는 스펙트럼과 일치한다는 사실을 알았다. 뒤이어 프랑스 물리학자 레옹 푸코^{Jean Bernard Leon Faucault}는 태양광을 나트륨 기체에 통과시킨 다음 스펙트럼을 관찰하면 D선이 더욱 뚜렷하게 나타난다는 것을 발견했다. 이는 나트륨 기체가 D 스펙트럼을 나타내는 파장의 빛을 흡수했음을 의미한다. 이후 독일의 키르히호프^{Gustav Kirchhoff}와 분젠^{Robert Wilhelm Bunsen}의 연구로 인해 나트륨이 D 스펙트럼을 흡수하는 것 뿐만 아니라 방출한다는 것이 알려졌다.

이러한 연구 결과로 스펙트럼 분석으로 어떠한 물질 속에 특정한 원소가 존재하는지는 알 수 있게 되었다. 예를 들어 특정한 별에서 나온 빛의 스펙트럼을 분석하여 별이 어떤 원소를 가지고 있는지 알 수 있게 되는 등 다양한 과학 분야에서 활용되고 있다.