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작은 불꽃 하나가- 루비듐(Rb), 세슘(Cs) - 목록

조회 : 12008 | 2012-02-28

프리즘
투명한 빛은 어떤 것들이 섞여 있을까? 아리스토텔레스는 빛은 순수한 백색광이라 믿었다. 뉴턴(1642~1727) 이전에는 물체가 갖는 색깔은 백색광이 변해서 된 것으로 생각했다. 그러나 빛에 관심을 가졌던 뉴턴은 당시에 장난감이었던 프리즘으로 빛을 관찰하기 시작했다.










프리즘에 의한 빛의 분산(CC)과 뉴턴의 실험





그는 두 개의 프리즘을 거꾸로 놓은 후 작은 구멍으로 들어온 빛을 프리즘1로 통과시켜 색깔로 분리하였다. 그리고 프리즘2와 볼록렌즈를 통과시켜 다시 백색광으로 만들었다. 다른 실험은 무지개 색깔로 분리된 빛 중 빨간색만을 다시 프리즘에 통과시키는 것이었다. 이 빛은 다시 분산되지 않았다. 뉴턴은 빛은 하나의 백색광이 아니라 무지개 색깔의 빛이 섞인 것을 증명한 것이다.










하늘의 무지개





왜 무지개 색깔로 분리될까? 빛은 지나가는 매질에 따라 속도가 다르기 때문에 굴절된다. 이때 여러 파장의 빛들이 파장에 따라 다른 각도로 굴절되기 때문에 무지개 색으로 분리되는 것이다. 프리즘은 빛의 성질을 이해하는 중요한 도구였다. 더 나아가 프리즘은 우주의 정체를 밝혀낼 열쇠였다.




생활 속의 무지개
무지개는 프리즘의 역할을 하는 대기 중의 물방울에 의해 생긴다. 태양광①은 공기에서 물방울로 진행할 때 굴절되어 무지개 색깔로 분산②된다. 이 빛은 물방울의 반대 쪽③에서 다시 일부가 반사되어 아래 쪽④에 도달한 후 우리 눈⑤에 도달한다. 물방울들은 빛을 모든 색깔로 분산시키지만, 사람은 한 물방울에서 한 가지 색깔만 본다. 그리고 여러 물방울에서 분산된 색깔과 함께 무지개 색깔을 볼 수 있는 것이다.










무지개의 원리





무지개 색깔을 내는 전복이나 소라 껍데기는 나전칠기나 장신구, 단추로도 가공되었다. 나전칠기란 가구에 여러 가지 조개류의 껍질 등을 세공하여 수놓은 제품이다. 이외에도 음악을 듣는 CD나 위조를 방지하기 위한 홀로그램 등도 무지개 색깔을 나타낸다.










CD의 회절격자에 의한 빛의 분산





물방울도 프리즘도 아닌데 어떻게 무지개 색깔을 띨까? 전복 껍데기나 CD의 표면을 확대해 보면 일정한 간격의 무늬를 볼 수 있다. 즉, 색깔은 흡수되고 남은 빛의 반사뿐만 아니라 규칙적인 미세구조에 의해 생기는 간섭에 의해서도 나타나는 것이다. 이러한 미세구조를 회절격자라 한다.




프라운호퍼선의 비밀
활활 타오르는 태양은 무엇으로 만들어져 있을까? 지구에 존재하는 물질과 같을까? 아니면 새로운 물질이 있는 것일까? 1802년, 태양 스펙트럼을 조사하던 울러스턴(1766~1828)은 좁은 틈새로 통과시킨 햇빛을 프리즘으로 분리하여 무지개 색깔의 스펙트럼에 여러 개의 띠를 발견했다. 1814년, 프라운호퍼(1787~1826)는 이 띠를 망원경으로 확대하여 ‘프라운호퍼선’이라는 324 개의 검은 띠를 발견했다.










프라운호퍼 선과 태양광의 흡수 스펙트럼





과연 이 검은 띠의 정체는 무엇일까? 프라운호퍼는 이 띠들이 태양의 원소들이 관련될 것으로 생각했다. 그러나 그 의미를 밝혀낸 것은 1860년에 분젠(1811~1899)과 키르히호프(1824~1887)가 개발한 분광기였다.




불꽃 반응에서 시작하다
1844년, 루테늄을 끝으로 오랫동안 새로운 원소가 발견되지 않았다. 분젠은 원소들의 불꽃 반응을 이용하여 광천수의 성분을 분석하고 있었다. 이 방법은 용액 속에 녹아있는 금속을 확인하기에 유용했지만, 알코올램프의 온도는 낮았고, 가스버너는 온도가 너무 높아 원소의 고유한 색깔을 보기가 어려웠다. 그는 가스와 공기의 양을 조절할 수 있는 버너를 고안했다. 이 버너는 금속 원통과 가스를 공급하는 고무관이 연결되어 있었으며 작은 공기구멍이 있었다. 버너의 원리는 간단했다. 고무관으로 가스가 빠르게 공급될 때 베르누이(1655~1705)의 원리에 의해 작은 구멍으로 공기가 빨려 들어와 가스와 혼합되는 것이다. 이 때 가스의 양과 공기구멍의 크기로부터 불꽃의 온도를 조절할 수 있었다. 분젠은 새로운 버너를 갖춘 것이다. 그러나 용액에 여러 금속이 있다면 어떻게 확인할까?










분젠의 버너 발명










리튬, 나트륨, 칼륨, 구리의 불꽃 반응




베르누이 원리
이 원리는 ‘유체가 빠르게 움직이면 압력은 낮아진다’는 법칙이다. 예를 들어 두 장의 종이 사이에 바람을 불면 종이의 간격이 벌어지는 것이 아니라 좁아진다. 종이 사이로 공기가 빠르게 움직이기 때문에 압력이 낮아져 바깥쪽에서 안쪽으로 밀기 때문이다. 마찬가지로 비행기 날개의 윗면은 둥글고 아래는 편평하다. 비행기가 이륙할 때 위로 흐르는 공기가 더 빠르기 때문에 날개 위의 공기의 압력은 아래쪽의 공기의 압력보다 낮아진다. 따라서 아래에서 위쪽으로 날개에 양력을 일으키는 것이다. 배가 나란히 항해할 때는 어떨까? 배 사이의 물이 바깥쪽보다 빠르기 때문에 선체에 작용하는 압력은 줄어든다. 따라서 바깥쪽에서 안쪽으로 배를 밀기 때문에 계속 항해하면 두 배는 옆면이 충돌한다. 빠르게 움직이는 차가 지나칠 때 몸이 차 쪽으로 끌리는 것도 같은 원리이다.




분젠과 키르히호프
혼합 용액에 섞인 원소를 어떻게 확인할 것인가? 고민하던 분젠에게는 키르히호프가 있었다. 분젠과 키르히호프는 특이한 친구였다. 분젠은 화학자였고 키는 2 m가 넘었지만, 키르히호프는 물리학자이면서 키가 작았다. 그러나 이들은 절친한 친구였다.










불꽃 반응을 확인하는 분젠





분젠이 불꽃반응을 색유리로 관찰하는 것을 본 키르히호프는 프리즘을 이용할 것을 제안했다. 이것은 물리학과 화학의 중요한 만남이었다. 뉴턴이 빛의 성질을 분석하기 위해 사용했던 프리즘이 원소를 분석하는 데 적용하게 된 것이다. 그들은 프리즘과 망원경을 이용한 분광기를 만들었고 광천수에 함유된 금속을 조사하기 시작했다. 1860년, 뒤르크하임의 광천수에서 새로운 청색 띠가 발견되었다. 새로운 원소인 세슘이었던 것이다. 세슘은 청색을 의미하는 라틴어에서 유래되었다. 1862년, 홍운모를 녹인 용액에서 새로운 적색 띠가 발견되었으며 적색이라는 뜻의 루비듐으로 명명하였다. 원소들은 저마다 독특한 지문과 같은 스펙트럼을 갖고 있었다. 분젠과 키르히호프의 만남에서 이 지문을 인식하는 분광기가 탄생했던 것이다. 계속해서 탈륨, 인듐, 칼륨, 스칸듐, 게르마늄 등의 원소가 확인되었다. 1898년 발견된 라듐도 분광기로 확인된 원소였다. 그런데 원소들마다 자신만의 선스펙트럼을 갖는 이유는 무엇일까?




비밀의 열쇠
분젠의 불꽃 반응과 프라운호퍼선은 어떤 관계가 있을까? 불꽃반응은 어두운 배경에 빛이 선으로 나타난다. 반면에 프라운호퍼선은 무지개 배경에 어두운 선이 나타날 뿐, 선들이 나타나는 위치는 같았다. 즉, 불꽃반응의 띠는 불꽃에 의해 에너지를 흡수한 원자가 에너지를 방출할 때 나타나며 프라운호퍼선은 태양 빛이 대기 중의 원소에 의해 흡수하기 때문에 어두운 띠가 보이는 것이었다. 그림에서 에너지를 흡수한 원자가 내는 빛을 프리즘으로 분해하면 밝은 선스펙트럼이 나타난다. 반면에 백색광과 프리즘 사이에 빛을 흡수하는 시료를 두면, 시료에 흡수되고 남은 빛이 프리즘에서 분해되면서 검게 나타난다. 즉 나트륨 시료를 두면 나트륨에 해당하는 위치의 띠가 점점 더 어둡게 된다. 분젠과 키르히호프는 프라운호퍼선은 태양의 대기에 있는 원소들이 빛을 흡수하기 때문이라는 것을 알았다. 1861년, 그들은 프라운호퍼선과 원소들의 스펙트럼선을 비교했다. 프라운호퍼선에는 지구에서 발견되지 않은 선스펙트럼이 있었다. 그들은 이것을 태양에만 있는 원소로 생각했으며 태양신 헬리오스에서 헬륨이라 불렀던 것이다. 후에 헬륨은 우라늄 광석에서 발견되었다.




원자의 구조를 찾다
왜 원소들은 자신만의 고유한 선스펙트럼이라는 지문을 갖는가? 이것을 최초로 이해한 사람은 새로운 원자모형을 주장했던 보어(1885~1962)였다. 예를 들어, 수소를 방전관에서 방전시키면 다음과 같은 선 스펙트럼이 나타난다.










수소의 선스펙트럼





이것을 어떻게 해석할까? 원자에서 전자는 핵 주위를 회전한다. 그러나 아무렇게나 회전하는 것이 아니라 운동장의 트랙을 도는 것처럼 허용된 궤도만 회전한다. 즉, 특정한 에너지 상태에 놓여 있는 것이다. 전자는 자신만의 궤도를 돌며, 궤도를 바꾸려면 두 궤도의 에너지 차이와 같은 빛을 흡수하거나 방출해야 한다. 즉, 원소의 스펙트럼은 전자들이 위치할 수 있는 궤도를 나타내며 원자들마다 고유한 궤도가 있었던 것이다. 보어는 수소원자의 스펙트럼에서 원자모형을 창안해냈던 것이다.










수소의 선스펙트럼과 원자모형 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC)JabberWok





분광기는 원소를 확인할 뿐만 아니라 원자의 구조를 밝히는 강력한 도구였던 것이다. 더 나아가 분젠과 키르히호프가 만든 분광기로 태양의 원소뿐만 아니라 우주의 원소를 찾기 시작했다. 허블우주망원경에는 분광기가 설치되어 있다. 분광기는 망원경으로 들어오는 빛을 각각의 성분으로 분리한다. 이것은 단순히 우주의 성분뿐만 아니라 우주 탄생의 신비를 밝힐 수 있는 중요한 결과였다. 분젠과 키르히호프가 만든 분광기는 원자론과 천체 물리학의 발전을 촉진한 핵심 기술이었던 것이다.




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