1. 개요
연속성이 있는 데이터에서 뽑아낸 값으로 여러 가지가 혼재된 데이터로부터 정확히 어떤 데이터가 있는 것인지를 분리해내서 그것의 세기를 기록한 것이다. 최초로 사용된 분야는 광학분야지만 현재는 과학 전반적인 분야에서 대중적으로 쓰이는 용어이다.용어 spectrum의 유래는 학술적 외래 용어가 대부분 그렇듯이 라틴어 명사이다. 본다는 뜻의 동사 specere로부터 파생된 명사 spectrum(직역하면 "보이는 것" 혹은 "나타나는 것")[1]에서 나온 말이다. 이는 영단어 specter와 유래가 같다. 복수형은 라틴어의 복수형을 그대로 따라서 spectra이다.[2]
스펙트럼은 가시광선에서만 관찰할 수 있다고 생각하기 쉽지만 실은 전자기파로 분류되는 모든 종류의 파는 스펙트럼을 관찰할 수 있으며,[3] 스펙트럼 분석 자체는 현재는 광학 말고도 다른 분야에서 많이 사용되고 있다.
현재 대한민국의 교육과정에서 물리[4], 화학[5], 지구과학[6]에서 똑같이 배우는 거의 유일한 개념이다.
2. 빛 스펙트럼
크게 선 스펙트럼과 연속 스펙트럼으로 나뉜다.
2.1. 연속 스펙트럼
그림 하나로 설명한 뉴턴의 스펙트럼 실험
Continuous spectrum
말 그대로 끊어짐 없이 연속적으로 나타난 스펙트럼. 햇빛과 같은 백색광을 분광기에 쪼이면 나타나며, 아이작 뉴턴에 의해 세상에 알려지고 색이 일곱 빛깔 무지개로 정해졌다. 일설에 의하면 하필 일곱 빛깔인 이유는 도레미파솔라시에 맞추기 위해서였다고 한다. 확실한 근거는 없어 일설에 그치지만, 유럽 외 문화권에서는 무지갯빛을 6색이나 5색으로 인식하는 경우도 있으니 서양의 7음계 기준으로 색깔을 맞췄다는 말도 어느 정도 일리는 있는 편이다.
2.2. 선 스펙트럼
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위의 이미지는 수소의 선 스펙트럼으로, 위의 것이 흡수 스펙트럼이고 아래의 것이 방출 스펙트럼이다. 연속 스펙트럼의 빛을 저온의 기체에 통과시켜 분광하면 흡수 스펙트럼이 나오고, 고온의 기체를 분광하면 방출 스펙트럼이 나온다. 이때, 저온의 기체와 고온의 기체의 성분원소가 같으면 당연히 흡수 스펙트럼의 검은 부분과 방출 스펙트럼의 선 부분이 같다.
금속 원소의 불꽃 반응의 색깔 등을 통해서도 볼 수 있다. 원소의 종류에 따라 색과 굵기, 위치, 수 등이 달라진다.
물질에 여러 가지 원소가 섞여있다면 각 원소의 스펙트럼과 구조에 따른 스펙트럼이 모두 합쳐져서 나타난다. 그러하기 때문에 물질을 분석할 때 다른 기기를 함께 직렬로 이용하여 물질의 구조와 원소를 알아낼 수 있다. 따라서 별빛의 선 스펙트럼에서 나오는 방출선과 흡수선을 잘 분석하고 관찰한다면, 우주가 어떤 물질로 구성되어있고, 원소 분포가 어떻게 이루어져있는지도 파악할 수 있다.
단원자 분자나 금속 기체와 같은 단일 원자(또는 이온)는 원자 내에서 전자의 에너지 준위 천이에 따른 스펙트럼선을, 분자는 그 회전 준위나 진동 준위[7] 간의 천이에 따른 스펙트럼을 만든다. 특히 분자에서 진동 천이와 회전 천이가 함께 일어나는 경우에는, 여러 스펙트럼선이 촘촘히 늘어선 형태의 밴드 스펙트럼을 만든다.[8]
원자의 전자 천이에 따른 방출선이나 흡수선은, 고전역학적으로 해석할 때는 원자에 속박된 전자를 일종의 조화 진동자로 해석하여 공명에 의해 빛을 흡수하거나 진동에 의해 빛을 방출하는 것으로 볼 수 있다. 물론 실제 복사천이는 양자역학적 해석이 필요한 현상이기 때문에, 개별 선의 파장이나 세기 등은 양자역학을 통해 해석하고 예측해야 한다.
특히 천문학에서의 분광 관측에 있어서 중요한 유의사항을 소개하자면, 특정 원자나 이온, 분자가 존재한다고 해서 무조건 그 물질의 스펙트럼이 검출되는 것은 아니다. 에너지 준위가 특정 준위로 들뜨기 위한 에너지가 충족되는 온도 조건과 같이, 필요한 조건이 만족되는 경우에만 그 물질의 스펙트럼이 생성된다. 그러므로 어떤 물질의 스펙트럼이 검출되는 경우에는 그 물질이 존재한다는 사실을 알 수 있지만, 스펙트럼에서 어떤 물질의 스펙트럼선이 검출되지 않는다고 해서 그 물질이 없다고 단언할 수는 없다. 태양 광구에서는 헬륨 스펙트럼이 검출되지 않지만[9] 그렇다고 태양에 헬륨이 없는 것은 아닌 것을 대표적인 예로 들 수 있다.
2.2.1. 프라운호퍼 선
태양빛의 스펙트럼에서 발견된 수많은 검은 선. 독일의 물리학자 프라운호퍼가 발견하고 연구했다. 이 검은 선들은 태양의 대기와 지구의 대기의 물질로 인하여 특정 영역이 흡수된 것이다. 이를 이용하여 태양표면의 온도, 밀도 등을 알 수 있고 일반 망원경으로 관측할 수 없는 부분을 관측할 수 있는 등 태양 연구에서 중요한 역할을 한다.
프랑스의 실증주의 철학자 사회학자인 오귀스트 콩트(1798 ~ 1857)는 ‘실증철학강의(Cours de la Philosophie Positive)’ 라는 저서에서 올바른 지식은 추상적 사유가 아닌 실증적인 경험, 감각, 실험적 검증을 통해야 한다는 점을 강조하며 인간이 영원히 경험으로는 알 수 없는 지식의 대표적인 예로 머나먼 별의 화학적 성분을 들었다.[10] 그러나 그가 죽은 2년 후에 분젠과 키르히호프가 프라운호퍼의 분광 기술로 태양의 구성 성분을 밝히는 등 머나먼 별의 화학적 성분을 알 수 있게 되었다. 현대에도 직접 가서 조사할 수 없고 망원경으로만 연구할 수 있는 천문학의 특성상 스펙트럼 분석은 별의 성분 뿐 아니라 적색편이와 허블 상수 등과 결합해 멀고 먼 별과의 거리를 측정하는데도 쓰이는 등 천문학 연구의 가장 중요한 도구의 하나로 널리 쓰이고 있다.
그의 이름을 딴 프라운호퍼 연구소는 독일의 대표적인 정부출연 국립 과학 연구소이며 독일 전역에 72개 분소를 둔 유럽최대의 연구소이기도 하다. 독일의 기초과학은 막스 플랑크 연구소가 주로 담당하고 주로 산업적 응용연구를 많이 한다. 대표적인 음향 인코딩/압축 기술인 MP3 기술이 바로 이 연구소의 업적으로 막대한 특허료를 벌었다. 그후에도 H.264 등에도 많은 공헌을 했다.
2.3. 관련 장비
중학교, 고등학교 화학 시간에 봤을 분광기[11]가 대표적인 빛 스펙트럼을 보는 기계다.3. 소리 스펙트럼
소리의 주파수 성분에 대한것. 작게는 가청주파수 대역에 대한 스펙트럼이 자주 이야기되지만[12] 넓게는 음파탐지기등과 연계되는 초음파 대역에서 자주 활용된다.4. 전파 스펙트럼
전파의 주파수 성분에 대한것. 현대의 주파수 변조에 가장 밀접하게 연관되며 통신분야 연구에 매우 중요한 부분중 하나라 보통 그냥 스펙트럼 분석기라고 쓰면 전파 스펙트럼 분석기를 칭하는 경우가 많다.5. 비유적 표현
좌파와 우파 사이에 수많은 단계가 있는 좌우 스펙트럼이나, 더 많은 축을 가지는 정치적 스펙트럼이 한 예다. 꼭 축들 위에 늘어서있지 않더라도 자폐 스펙트럼처럼 다양하면서도 연속적인 양상을 보이는 경우에도 마찬가지로 스펙트럼으로 부른다.특정 분야에 대한 범위나 정도를 말하는 관용어로도 쓰인다. 종잡을 수 없을 정도로 입체적인 성격이거나, 지식의 폭과 분야가 넓고 다양하면 스펙트럼이 넓다는 관용구를 쓴다. 여기서 말하는 스펙트럼은 연속 스펙트럼이다. 말 그대로 여러 색깔이 연속되어 넓게 퍼져 있는 연속 스펙트럼에 빗대어 표현하는 의미.
6. 관련 문서
[1]
동상이란 뜻도 갖고 있다.
[2]
라틴어를 그대로 차용한 영어 단어 중 라틴어에서 유래했다는 인식이 강한 단어들의 복수형은 통상적인 영어 단어들과 달리 라틴어의 복수형을 그대로 따라간다.
[3]
대부분이 가시광선 스펙트럼 말고 잘 모르는데 이유는 중등, 고등고육때 배우고 넘어간다는 점도 있지만 가장 간단하게 장비없이도 시각만으로 관측할 수 있는 스펙트럼이 가시광선 스펙트럼이고 전리방사선이나 비전리방사선인 자외선, 적외선, 전파등 이외 스펙트럼은 장비없이 시각만으로 관측할 수 없기에 장비가 필요하지만 교육용으로 두기에는 엄청나게 비싸기에 아는사람이 많이 없다.
[4]
2단원
[5]
2단원
[6]
3단원
[7]
분자는 특정 축을 기준으로 회전하거나, 원자 간의 결합이 마치 용수철처럼 작용해 진동하는 식의 운동을 할 수 있는데, 이런 상태들은 양자화되어 있고 이것이 회전 에너지 준위와 진동 에너지 준위이다.
[8]
이것은 회전 에너지 준위의 간격이 진동 에너지 준위의 간격에 비해 더 좁으며, 양자역학적 선택 규칙에 의해 진동 에너지 준위가 ±1만큼 천이할 때는 회전 에너지 준위도 ±1만큼 천이해야 하기 때문에 나타나는 현상이다.
[9]
헬륨 스펙트럼은 태양 광구의 온도보나 훨씬 높은 온도에서만 형성될 수 있기 때문이다.
[10]
1835년에 "과학자들이 지금까지 밝혀진 모든 것을 가지고 풀려고 해도 절대 해명할 수 없는 수수께끼가 있다. 그것은 별이 무엇으로 이루어져 있는가 하는 문제다"라고 발언
[11]
스펙트로미터라고 부르기도 하는데 이러면 화학스펙트럼 분석기와 빛 스펙트럼 분석기로 나뉘서어 나오므로 빛 스펙트럼만을 보고 싶다면 스펙트로포토미터라고 적어줘야된다. 그냥
스펙트럼 분석기라고 쓰게 될 경우 전파 스펙트럼 분석기가 나오기 때문에 빛 스펙트럼을 확인하는 기계가 필요하다면 꼭 분광기라고 제대로 적어야 된다.
[12]
DAW나 고급 음향감상기기에서 음악에 따라 움직이는 막대등이 이쪽이다.