[일반화학실험 A+ 1등 자료] 실험 10. 원자의 방출 스펙트럼 실험 결과 보고서

소개글

[일반화학실험 A+ 1등 자료] 실험 10. 원자의 방출 스펙트럼 실험 결과 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험 데이터 및 처리
실험 결과에 대한 고찰
다음의 질문에 답하시오.

본문내용

측정한 기준점으로부터 거리(cm)를 파장(nm)로 변환하는 방법에 대해 익힐 수 있었다. 뿐만 아니라, 전자전이와 각 광원의 특성, 보다 명확한 스펙트럼 관찰을 위한 슬릿의 주요 특성 그리고 원자의 방출 스펙트럼에서는 원자마다 특정한 색깔이 나타나고 특정한 빛의 주파수가 방출되기 때문에 방출 스펙트럼을 활용하여 천체 또는 방전플라즈마의 계측, 분자 구조나 원자 구조의 해석, 발광 분광분석 등을 할 수 있다는 것에 대해서도 이해할 수 있었다.
이번 실험에서는 실험에 사용된 기구와 육안 관찰의 한계 그리고 이상적인 슬릿을 선정해서 사용하지 못하여, 관찰하지 못한 선 스펙트럼이 존재했다. 보다 명확한 선 스펙트럼을 관찰하기 위해서 폭이 좁은 슬릿을 사용하고 슬릿과 스크린 사이의 거리가 멀게 하여 스펙트럼을 관찰해야 한다. 이러한 점을 개선하면 실험을 통해 구한 파장 값과 문헌 파장 값 사이의 오차를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
다음의 질문에 답하시오.
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1. 태양 빛, 형광등, 백열등에서 방출되는 빛은 모두 연속 스펙트럼을 나타내나, 이들 스펙트럼은 모두 다르다. 이들 연속 스펙트럼은 어떻게 다르며, 이러한 차이가 생기는 이유는 무엇인가?
태양 빛, 형광등, 백열등은 모두 연속 스펙트럼을 나타내지만, 서로 약간의 차이가 존재한다. 태양 빛의 연속 스펙트럼에서는 검은색 흡수선이 나타나며, 형광등의 연속 스펙트럼에서는 수은의 선 스펙트럼과 비슷한 스펙트럼도 함께 나타난다. 또한, 백열등의 스펙트럼에서는 빨간색 스펙트럼이 비교적 강하게 나타난다.
태양 빛의 연속 스펙트럼에서 검은색 선이 나타나는 것은 태양의 깊숙한 안쪽에 고온의 층에서 나온 연속 광에서 얕은 층의 저온가스 파장 빛만을 흡수했기 때문에 나타난 것이다. 이러한 검은색 선은 흡수선이라고 부르며, 태양 대기에 포함되어 있는 원자의 수가 많을수록 흡수선은 더욱 어둡고 선의 너비가 굵어진다.
형광등은 유리관의 벽 안쪽에 칠해져 있는 형광 물질의 전자가 에너지를 흡수하여 들뜬상태로 전이했다가 다시 바닥상태로 되돌아오는 과정에서 가시광선 영역의 빛을 방출하는 현상을 이용하여 제작한 것이다. 형광등을 켜면 열전자가 전극에서 방출되고, 이러한 열전자는 수은의 전자를 들뜨게 만들며 들뜬 수은의 전자는 바닥상태로 다시 되돌아올 때 자외선을 방출한다. 자외선이 형광 물질의 전자를 들뜨게 만든다. 전자가 들뜬상태로 전이한 후 바닥상태로의 전이에 의하여 빛이 방출되기 때문에 형광등 빛의 연속 스펙트럼에 수은의 선 스펙트럼과 유사한 선 스펙트럼이 함께 나타나는 것이다.
백열등은 물질을 고온으로 가열하면 빛이 방출되는 현상인 온도 복사로 인해 빛이 방출되는 것이다. 백열등에 활용되는 필라멘트는 녹는점이 금속 중에서 가장 높은 텅스텐으로 녹는점은 3400℃이다. 전류가 필라멘트에 흐르면 약 3000℃의 고온으로 가열되어 온도 복사에 의하여 빛이 발생한다. 공급한 전기 에너지 중에서 5% 정도만 빛으로 변환되고 95%는 열로 방출된다. 온도 복사에 의해 빛이 방출되기 때문에 백열등 빛의 스펙트럼은 연속 스펙트럼이며, 붉은색 파장의 세기가 강하기 때문에 빨간색 스펙트럼이 강하게 나타나는 것이다.
이처럼 각각 빛이 방출되는 원리와 특성이 모두 다르기 때문에 연속 스펙트럼이지만 서로 다른 형태를 나타내는 것이다.
2. 수소 원자의 스펙트럼에서 각 스펙트럼 선의 파장 는 다음 식과 같이 두 개의 정수, n1과 n2로 나타낼 수 있다:
(3)
이때 n1 < n2이고, 는 수소 원자의 Rydberg 상수로 = 109678.764 cm-1 이다.
이번 실험에서 관찰한 수소 원자 스펙트럼의 각 선에 대응되는 정수 n1과 n2의 값을 구하라. (Hint: 파장 는 cm의 단위로 바꾸어 식 (3)에 대입한다.)
이고, 붉은색 선 스펙트럼의 파장은 656.5nm, 청록색 선 스펙트럼의 파장은 485.8nm 그리고 남보라색 선 스펙트럼의 파장은 434.6nm으로 모두 (발머 계열)가시광선 영역의 파장들이다. 따라서 이다.
ⅰ) 붉은색 선 스펙트럼 (파장 : 656.5nm)
656.5nm = 이고 이므로,
ⅱ) 청록색 선 스펙트럼 (파장 : 485.8nm)
485.8nm = 이고 이므로,
ⅲ) 남보라색 선 스펙트럼 (파장 : 434.6nm)
434.6nm = 이고 이므로,
3. 분광기의 슬릿은 왜 폭이 좁은 직사각형 모양으로 만드는가? 또한 슬릿의 폭을 넓게 만들면 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가? 폭을 좁게 만들면 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
분광기의 슬릿과 스크린 사이의 거리가 멀수록, 슬릿은 폭이 좁을수록, 빛의 파장이 길수록 회절이 잘 되어 스펙트럼이 조밀하고 선명하게 나타난다. 따라서 슬릿의 폭을 좁게 만들면 스펙트럼 관찰이 용이하다. 반면에, 슬릿의 폭이 넓게 만든다면 빛이 많이 들어오게 되며, 이에 따라 스펙트럼이 선명하게 나타나지 않는다.
슬릿이 직사각형이 아닌 정사각형이나 원이라고 가정하자. 슬릿의 폭을 좁게 하기 위해 폭을 줄이면, 높이도 줄어든다. 높이도 줄어들게 되면 빛도 잘 들어오지 않게 되기 때문에 선명한 스펙트럼 관찰에 어려움이 생긴다. 그러나 직사각형의 경우에는 폭은 줄이고 높이의 길이는 유지할 수 있다. 따라서 분광기의 슬릿은 폭이 좁은 직사각형으로 만드는 것이다.
4. 기체 방전관에서 원자의 방출 스펙트럼을 얻을 수 있는 것처럼, 고온의 불꽃에서도 들뜬상태의 원자로부터 방출되는 빛의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이러한 원자의 방출 스펙트럼은 화학종의 분석에 어떻게 이용될 수 있는가?
전자가 외부로부터 빛이나 에너지를 받으면 들뜬 상태가 되고 높은 준위의 궤도로 올라간다. 전자는 자신의 원래 위치로 돌아갈 때 궤도 사이의 에너지 차이만큼 에너지를 가지는 빛을 방출한다. 이때 방출되는 빛의 스펙트럼을 방출 스펙트럼이라 한다.
원자의 방출 스펙트럼에서는 원자마다 특정한 색깔이 나타나고 특정한 빛의 주파수가 방출된다. 따라서 방출 스펙트럼을 활용하여 천체 또는 방전플라즈마의 계측, 분자 구조나 원자 구조의 해석, 발광 분광분석 등을 할 수 있다.

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