[물리화학실험] 원소의 방출스펙트럼 Emission Experiment Line Spectra of Elements (실험 8)

소개글

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목차

1. 실험목적
2. 이론
3. 시약 및 기기
4. 실험과정
5. 실험결과
6. 고찰
7. 참고문헌

본문내용

출한다<그림 2>. 네온기체에 의해 방출된 빛은 “네온 빛”이라 알려진 친근한 적색-오랜지색이다. 소듐 증기는 현대 가로등의 황색빛을 방출한다. 그러한 전등에서 나온 빛을 프리즘에 통과하면 <그림 3>처럼 몇 개 파장만으로 구성된 선 스펙트럼을 얻는다. 색을 띤 선과 빛에 포함되지 않은 파장에 해당하는 흑색 영역에 분리되어 나타난다. 특수한 파장의 복사선만 포함하는 스펙트럼을 선 스펙트럼(line spectrum)이라 한다.
1800년대 중반에 처음으로 수소의 선 스펙트럼이 검출되었을 때 그것의 단순성 때문에 과학자들이 매혹되었다. 1885년에 스위스 학교 선생이던 Johann Balmer는 <그림 3>에 보여준 수소의 4개 선 스펙트럼 진동수들이 다음과 같은 간단한 식과 일치하는 것을 관찰하였다. 그 후 추가적인 선으로 수소 스펙트럼의 자외선과 적외선 부분이 발견되었다. 곧 수소의 선 스펙트럼의 파장을 계산할 수 있는 Rydberg식이라 불리는 Balmer의 식이 일반화되었다.
… 식ⓐ
이 식에서 는 선 스펙트럼 파장이고, 는 Rydberg 상수()이고, 과 는 양의 정수 값으로 는 보다 더 큰 값을 갖는다.
⑤ Bohr 모형
Rutherford에 의하여 원자핵의 성질을 발견한 후에 과학자들은 원자를 전자들이 핵 주위를 궤도(orbit)운동하는 “미시적 태양계”라고 생각했다. 수소의 선 스펙트럼을 설명하기 위해 Bohr는 전자들이 핵 주위에서 원형 궤도를 운동한다고 가정하였다. 그러나 고전 물리학에 의하면 원형궤도로 움직이는 전자와 같은 전기를 띤 전하 입자는 전자기 복사선을 방출하면서 계속하여 에너지를 잃어야 한다. 전자들이 에너지를 잃을 때 전자들은 핵 속으로 선회하여 들어가야 한다. 수소 원자가 안정하므로 이런 선회는 분명히 발생하지 않는다. 이렇게 수소 원자가 물리법칙을 위반하는 것을 어떻게 설명할 것인가? Bohr는 뜨거운 물체에서 방출한 복사선 성질의 문제를 Planck가 접근한 것과 같은 방식으로 이 문제에 접근했다. Bohr는 이전의 물리 법칙들이 원자 설명에 부적합하다고 가정했다. 게다가 에너지는 양자화한다는 Planck의 아이디어를 Bohr는 채택하였다. 보어의 모형은 다음의 세 가지 가정에 기초한다.
1. 특정 값의 에너지에 상당하는 특정 반지름의 궤도만이 수소 원자의 전자에 허용된다.
2. 허용된 궤도에 있는 전자는 “허용” 에너지 상태에 있다고 한다. 허용에너지 상태의 전자는 에너지를 방출하지 않으므로 핵 속으로 선회하여 들어가지 않는다.
3. 전자가 한 궤도에서 다른 궤도로 움직일 때 에너지는 방출 또는 흡수된다. 이 에너지()는 광자의 형태로 방출 또는 흡수된다.
⑥ 에너지 준위(Energy level)
수소 원자에서 전자가 들어갈 수 있는 불연속의 궤도를 말한다. 이것은 가정집의 계단에 비교할 수 있다. 다섯 개의 층계가 있다고 가정하면 층계 간에는 두발을 다할 수 없으므로 각 층계는 불연속의 양자화된 에너지를 가진다고 할 수 있다. 반면, 비탈길에서는 에너지의 연속적인 변화를 나타낸다고 볼 수 있다. 이 경우에는 층들 간의 모든 에너지 준위가 가능하다. 수소원자에 있는 각각의 에너지 준위는 주양자수로 알려진 정수로 나타낸다. 이것은 전자의 궤도 반지름과 관련되고 에너지와 직접 관련이 있다. 주양자수가 작을수록 궤도의 반지름은 더 작고 에너지 준위는 낮다.
1) 바닥상태(ground state) : 정상 조건에서 수소 원자의 단일전자는 핵에서 가장 가까운 궤도인 주양자수가 1인 궤도에 있을 것인데 이 상태를 바닥상태라고 한다.
2) 들뜬상태(Excited state) : 수소 원자를 가열하거나 에너지를 공급하면 바닥상태에서 에너지 준위가 더 높은 주양자수가 높은 궤도로 뛸 수 있는데, 바닥상태보다 높은 에너지 준위에 있는 상태를 들뜬상태라고 한다. 수소 원자로부터 방출되는 빛에너지는 들뜬 상태에서 더 낮은 상태로 전자가 떨어지거나 또는 바닥상태로 되돌아가기 때문이다. 에너지 준위가 양자화 되어 있기 때문에 전자가 에너지 준위가 낮아지면 불연속적인 양의 에너지를 방출한다. 이 에너지가 빛으로 방출되므로 빛은 불연속적인 파장과 색의 스펙트럼을 나타낸다.
⑦ 수소 원자의 에너지 상태
이와 같은 세 가지 가정과 운동, 전기전하의 상호작용에 대한 고전적인 수식을 이용하여 Bohr는 수소 원자에 있는 전자의 각 허용궤도에 해당하는 에너지를 계산하였다. 이들 에너지는 다음과 같은 식에 의해 얻어진다.
… 식①
이 식에서 h, c, 는 각각 Plank\'s 상수, 빛의 속도, Rydberg 상수이다. 이 세 가지 상수의 곱은 이다. 1부터 무한대의 정수를 갖는 n을 주양자 수라호 한다. 각 궤도는 서로 다른 n값을 갖는다. 그 궤도의 반지름은 n값이 증가할수록 크다. 그리하여 첫 번째 허용궤도(핵에 가장 근접한 궤도)는 n=1이고, 다음의 허용궤도(핵에 두 번째 근접한 궤도)는 n=2이며 반지름은 n=1궤도의 반지름보다 =4배 더 크다. 수소 원자의 전자는 허용궤도에 의존할 수 있고, 위 식은 전자의 에너지가 전자가 전재하는 궤도에 의존한다는 것을 의미한다.
위 식으로 표시한 수소 원자의 전자에너지는 모든 n값이 음수이다. 더 작은(음수가 클수록) 에너지는 더 작은 음수값으로 증가한다. 사다리의 가로대를 밑부터 위로 올라가면서 번호를 붙이는 상황과 비유할 수 있다. 사다리는 더 높이 올라갈수록(n값이 클수록) 에너지가 더 높다. 가장 낮은 에너지 상태(n=1, 사다리 맨 밑의 가로대와 유사하다)를 원자의 바닥상태(ground state)라 한다. 전자들이 더 큰 에너지(음수가 작을수록)의 궤도, 즉 n=2 혹은 더 큰 에너지 궤도에 있을 때 원자는 들뜬상태(excited state)에 있다고 한다. <그림 4>는 몇 가지 n값에 대한 수소 원자의 전자에너지를 보여준다.
n이 무한히 클 때 궤도 반지름과 에너지에는 어떤 일이 생기는가? 반지름이 값을 따라 무한대로 증가하면, 원자는 핵에서 완전히 분리된 점에 도달한다. 의 에너지는 0이다.
그리하여 핵에서 전자를 제거한 상태느 기준상태 혹은 수소 원자의 0의 에너지 상태이다. 이러한 0의 에너지 상태는 음우

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