원자의 선 스펙트럼과 에너지 양자화

원자는 전자와 원자핵으로 이뤄져 있습니다. 전자는 궤도를 돌고 있습니다. 원자핵이 전자를 끌어당기죠. 그래서 궤도반지름이 커지려면 에너지가 필요합니다. 끌어당기는 힘에 대항하여 궤도가 커지는 거니까요. 에너지는 빛이죠. 그래서 원자에 빛을 쏘이면 그 빛을 전자가 흡수하고 전자의 궤도 반지름이 커지게 됩니다. 반대로 궤도반지름이 줄어 들면서 빛을 방출하기도 하죠.

빛의 에너지의 크기는 빛의 밝기에 비례하고 파장에 반비례합니다. 그런데 원자가 방출하는 빛을 보니 모든 파장의 빛을 방출하는게 아니라 특정 파장만 방출하거나 흡수하더라는 거죠. 거기서 한 원소가 방출하는 빛의 종류의 나열을 그 원소의 스펙트럼이라고 합니다. 빨주노초파남보의 색이 쭉 있는 거에서 특정원소가 방출하는 빛만 표시해서 나머지 부분은 검은 색인 그런 형태입니다. 검색해보세요

특정파장의 빛만 흡수방출 한다는 것은 전자의 궤도가 띄엄띄엄 있다는 것입니다. 그러니까 궤도 반지름이 될 수 있는 값이 1,3,5,6 이런 값으로 정해져 있지 1, 1.1, 1.2, 1.3......이런식으로 모든 값이 가능한게 아니란 겁니다. 이런 띄엄띄엄한 것을 불연속하다고 하고 양자화 되어 있다고 합니다. 양자는 불연속한 물체를 말하는 겁니다. 입자같은 거죠.

전자의 궤도 반지름은 불연속한 값을 지닙니다. 그래서 만약에 궤도가 1, 3이 존재할때 전자에 1의 빛을 쏘이면 1궤도에 있던 전자는 2까지 밖에 에너지가 올라가지 않게 되는데 2라는 궤도는 없기 때문에 3으로 올라갈 수 없게 됩니다. 딱 2라는 빛을 받아야 3으로 올라갈 수 있죠. 즉 궤도가 불연속하므로 특정 파장 빛만 방출하는 겁니다. 그런데 여기서 의문이 생길 수 있습니다.

밝기로 에너지가 2인 빛은 왜 안되고 파장에 의해 에너지가 2인 빛만 전자 궤도를 바꿀 수 있습니다. 실제로 원소에 파장이 길고 밝기가 쎈 빛을 쏘아도 전자 궤도를 바꿀 수 없지만 파장이 짧고 밝기가 약한 빛을 쏘면 전자 궤도를 바꿀 수 있습니다.

이것은 빛의 양자론 즉 빛이 입자성을 지닌다는 이론으로 설명됩니다.
밝기가 강하고 파장이 긴 빛은 빛 입자가 많은데 그 각각의 입자의 에너지는 낮은 경우이규 밝기가 약하고 파장이 짧은 빛은 빛입자가 적고 각 입자의 에너지가 높은 것입니다.

두 빛을 각각 원자에 쏠경우 후자의 빛 입자는 전자에 한방에 필요한 에너지를 전달해서 궤도를 바꿀 수 있지만 밝기가 강하고 파장이 긴 빛은 에너지가 낮은 입자들이 전자에 쏟아지게 되는데 하나의 빛입자로는 전자 궤도를 바꾸기에 역부족입니다. 그래서 여러개의 빛입자가 필요한데 원자가 매우 많고 마구 움직이고 있기 때문에 같은 전자에 또 빛 입자가 에너지를 전달하는 건 거의 불가능에 가깝습니다. 거의 확률이 없죠. 그래서 파장으로만 가능한 거죠.

어떤 물질을 가열하면 그 원자들이 에너지를 얻고 다시 안정화를 하기 위해 전자 궤도가 낮아지며 빛을 방출합니다. 불은 공기가 가열되서 빛을 방출하는 현상이죠. 불이 특정 색을 가지는게 그 때문이죠.