나는 무지개의 빛에 황홀해 했고 삼라만상에 존재하는 수많은 꽃들과 시시각각 변하는 자연 풍경의 색깔이 어디서 온 것인지 항상 궁금했다. 이제 세상과 우주에 존재하는 빛의 비밀을 찾아 여행을 떠나볼까 한다. 



스펙트럼을 통한 분광학

흔히 스펙트럼(Spectrum)이라 하면 프리즘을 통과한 빛을 색깔에 따라 여러갈래로 분산시켜 각각의 분해된 빛의 성질과 특징을 살펴보는 것을 말한다. 스펙트럼의 원조는 뉴턴으로 그는 여러가지 스펙트럼 실험을 했으며 물질을 태울 때 나오는 빛의 스펙트럼을 분석하여 물질의 성분과 성질을 알아내기도 했다. 이것이 보편화 되어 과학 연구의 한 방법으로 전수되고 있다. 이러한 스펙트럼에 관한 연구를 분광학이라 하며 이는 지금의 천문학에서 아주 중요한 분야를 점하고 있다. 스펙트럼은 파장에 따라 전자기파를 순서대로 배열한 소위 색깔의 띠를 말한다.  무지개가 바로 전형적인 스펙트럼 현상이다.

어떤 물체가 전자기파와 만날 때 생기는 스펙트럼선을 분석하면 그 물체에 대한 각종 정보를 얻을 수 있다. 이를 천체의 각종 별들에 적용하면 별들을 이루고 있는 각종 구성물질과 성분, 온도 및 운동형태 등의 구체적 정보를 알 수 있다. 

전자기 스펙트럼

 전자기 스펙트럼이라 하는 것은 전자기파를 파장에 따라 분해하고 질서있게 배열한 것이다. 일반적으로 스펙트럼이라 하면 가시광선 즉 햇빛 따위를 분해한 것을 말하나 여기 전자기 스펙트럼은 훨씬 폭이 넓은 영역이다. 가시광선은 물론 모든 전자기파의 스펙트럼을 총 망라한다. 짧은 파장(높은 진동수)의 전자기파에서 긴 파장의 파로 나열하면 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 순으로 배열된다. 이제 이들 각각의 전자기파들의 성질과 특징을 알아보자.

감마선

감마선은 아주 높은 에너지를 품고있는 전자기파로서 높은 수준의 광양자 에너지와 진동수를 포함하기에 입자성이 강하다. 감마선 분광기로 측정하면 감마선의 광양자 에너지의 양가지 정확하게 측정해 낸다. 방사성 핵은 수keV~10MeV에 이르는 에너지 수준을 가진 감마선을 오랜 기간 뿜어낸다. 감마선과 X선과의 경계는 희미하지만 감마선이 20keV 이하의 낮은 수준의 에너지를 방출하는 전자기파인데 반하여 X선은 보다 높은 수준의 에너지, 즉 100keV 이상의 원자에서 방출되는 높은 에너지의 전자기파에 해당한다.

방사선 물질의 대부분은 여러 계층의 에너지 수준과 강도로 감마선을 만들어 낸다. 이러한 감마선 방출은 감마선 분광기를 통해 분석되며 감마선 에너지 스펙트럼을 생성한다. 이들 스펙트럼을 여러 각도에서 분석해 보면 감마선을 방출한 물질의 성질과 특성을 알아낼 수 있게된다. 광분석법의 광스펙트럼이 어떤 물질에 대한 원자와 분자의 고유한 특성을 밝혀내듯이 감마스펙트럼은 감마선을 방출하는 방사선 핵을 품고있는 물질들의 고유한 특징을 보여준다. 이러한 감마선 분광법은 천체물리학에서 우주의 신비를 벗겨내는 중요한 도구가 된다.

X선

X선은 일반적으로 우리가 엑스레이라 부르는 병원에서 인체 내부 사진을 찍을 때 사용하는 전자기파다. X선 발견 덕으로 최초 노벨 물리학상을 탄 독일 과학자 뢴트겐의 이름을 따서 뢴트겐선이라고 불린다.  X선은 물체에 아무런 영향을 미치지 않고 투과할 수 있으므로 의료분야나 공항 등의 화물 검색기에 사용되고 있다. X선은 매우 빠르게 운동하는 전자가 무거운 원자에 부딪칠 때 발생하는데 가열된 음극 필라멘트에서 방출되는 전자는 양극으로 가속되며 질주한다. 이 때 전자의 운동에너지는 대부분 열도 전환되고 1% 미만만 X선으로 바꾼다. 이 원리로 X선을 발생시키는 진공관을 엑스선관이라 한다. X선과 우라늄의 방사선 발견으로 인하여 20세기 원자핵물리학이 비약적으로 발전하는 계기가 되었다.

자외선

빛의 스펙트럼에서 보라색 띠 넘어 보이지 않는 영역의 빛인데 750THz의 파장영역대이다. 자외선은 햇빛과 같은 자연광선에서 나오는데 긴 파장의 자외선은 원자를 분해시켜 이온으로 만들기에는 턱없이 에너지가 빈약하지만 물질에 화학반응을 일으켜 그 물체로 하여금 형광효과나 빛이 나게끔 할 수 있다. 이 말은 자외선은 생명체에 에너지를 공급해 가열시키기도 할 뿐 아니라 체내 분자의 화학적 상호작용을 유도하기도 한다.

주근깨나 피부화상 등이 과도한 자외선에 노출된 일광욕으로 인한 부작용이기도 하지만 인체에 비타민D를 합성해내는 중요한 일꾼이기도 하다. 에너지가 높은 전자기파는 생체조직을 파괴하기 때문에 지구가 생성된 초기 지구의 대기는 햇빛의 자외선을 거의 막아주지 못했기 때문에 초기 생명의 시원이 원시어류에서 비롯되었다고 과학자들은 추측한다.

시광선

사람이 볼 수 있는 영역의 전자기파다. 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라 등의 무지개 빛이 대표적인 가시광선 영역이다. 사람별로 다소의 차이는 있지만 보통 사람들은 400~700nm까지의 파장대의 범위를 볼 수 있다. 태양은 자외선, 가시광선, 적외선 중 가시광선을 가장 많이 방출하는데 사람의 눈은 가시광선의 녹색영역에서 최대 감도를 느끼고 편안해 한다. 가시광선은 대기층을 통과하면서 파장이 짧은 보라색 개통이 산란이 잘 되지만 인간의 빛 편향성 때문에 파란색으로 본다.  

적외선

적외선은 빵강색 너머의 광역대로 가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 쓰이는 마이크로파보다는 파장이 짧다. 적외선도 근적외선과 원적외선으로 분류된다. 적외선은 열을 방출하기 때문에 햇빛을 쬐면 따뜻함을 느끼는데 이는 적외선 때문이다. 적외선을 처음 발견한 사람은 천문학자인 윌리엄 허셜이다. 1800년 무렵 허셜은 수은온도계로 스펙트럼에서 분류되는 빛의 온도를 재는 실험을 했는데 이상하게도 가시광선 밖의 영역에서도 온도가 올라가는 것을 발견하고는 열이 눈에 보이지 않는 빛, 즉 적외선의 형태로 전달됨을 발견했다. 적외선이 강한 열을 방출하는 것은 주파수가 물질을 이루고 있는 분자의 고유진동수와 거의 비슷하기 때문이라 한다. 이것은 물체에 적외선이 충돌하면 전자기적 공진현상을 일으켜 적외선의 에너지인 열이 적외선이 와닿은 물체에 바로 흡수되기 때문이다. 적외선은 파장이 가시광선이나 자외선 보다 길어 대기 속 부유물의 산란효과가 적으므로 비교적 대기를 잘 투과한다. 적외선의 이런 투과성을 이용한 것들이 적외선 감시장치, 야간촬영, 우너거리 항공사진 등이 있으며, 적외선이 가시광선과는 다른 반사율을 가진다는 특성을 이용하여 적외선 사진으로 위조지폐를 감별하기도 한다. 적외선의 발열기능을 이용하여 농수산물의 건조장에서도 적외선의 사용 빈도가 많다. 의학쪽에서도 아픈 관절이나 뭉친 근육 치료에는 근적외선이 쓰이고 적외선 레이저빔은 내외과적 수술에 적극 쓰인다. 이렇듯 적외선은 우리 생활과 뗄래야 뗄 수 없을 정도로 유용한 도구가 되었다.

마이크로파

적외선과 라디오파 사이의 파장 1nm~1dm 영역대의 전자기파다. G, P, L, S, C, X, K, V, W밴드 등의 GHz로 표시되는 전파 대역을 나누어 군용 항공무선, 이동통신, TV방송, 휴대전화, 위성방송, 통신위성, 전파 천문학에 이르기까지 인간의 편의를 위하여 0.2~111GHz의 주파수를 나누어 쓰는 파장 영역이다. 

라디오파

무선주파수라고도 하는데 파장 1nm~100km, 주파수 3KHz~300GHz 영역의 전자기파이다. 이들 무선주파수라고 부르는 장파(LF, 장파 1~10km), 중파(MF, 파장 100~1000m), 단파(HF, 파장 10~100m), 초단파(VHF, 파장 1~10m), 극초단파(UHF, 파장 10cm~1m) 등으로 분류하여 사용한다.






  
   





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