Part 1에 이어서 그 원리를 보어의 원자 모델에서 알아보도록 하자
Part 1
1. 빛의 특성
2. 색깔이 나타나는 원리
3. 빛의 흡수
Part 2
4. 보어의 원자 모델
5. 에너지 간격(Bandgap)
6. 검은색은 흡수하고 흰색은 반사하는 이유?
4. 보어의 원자 모델
빛을 흡수하고 방출을 설명하기 위해서는 원자의 에너지 준위의 이해가 필요하여, 보어의 원자 모델의 탄생에 대해서 알아 보자
20세기 초까지도 원자는 미지의 덩어리였고, 1803년 존 돌턴이 "모든 물질은 더이상 쪼개질수 없는 작은 입자"의 원자로 되어 있다는 원자설을 내놓았고, 빌헬름 뢴트겐은 금속이 원자에 부딪칠때 나오는 짧은 파장이 손을 투시할수 있다는 것으로 X 선을 발견했고 마리퀴리는 원자 안에서 엄청난 에너지가 계속 나오는것으로 라듐을 발견하면서 노벨 물리학상의 1~2회 수장자가 되었다.
사람들은 이런 원자가 궁금해지기 시작했다.영국 캠브리지 대학의 캐번디시연구소의 수장 J.J. 톰슨은 음극선관의 음극에서 나오는 광선을 맞아 바람개비가 돌아 가는 것을 보고 "질량이 있는 입자"라고 생각하고 원자를 구성하는 있는 입자를 미립자라고 하였다.
돌턴의 원자설을 제기한 후 원자는 단단한 구슬로 인식되었으나 원자의 구성에 전자가 있다는것을 발견한 것이다. 그 후 톰슨의 주선으로 맨체스터 대학의 교수가 된 러드퍼드가 방사선 물질에서 나오는 알파 입자를 얇은 금박지에 던질때 어떤 현상이 일어나는지를 실험하는 과정에서 전자가 원자핵 주변을 돌고 있을것이라고 생각했다.
지구가 도는 것처럼 돌고 있는데, 양극인 원자핵과 음극인 전자가 서로 끌어당기면 원자핵 사이의 진공은 사라지고 원자핵에 들러 붙어서 이 세상도 사라져야 하는데 그런일 을 일어 나지 않는다. 러드퍼드 세대에는 이를 알기에는 한계가 있었고 그 제자 닐스 보어가 " 원자 안의 전자는 왜 회전하면서 중심으로 떨어지지 않는가?"라는거에 의문을 가지게 되었다.
보어는 수소가 빨강, 청록, 파랑, 보라의 네 가지 선 스펙트럼이 나타나는것은 모든 진동수가 빛을 방출하는것이 아니라 선에 해당하는 에너지의 진동수만 방출한다고 생각하고 플랑크 이론의 플랑크 상수를 이용하여 전자도 불연속적인 에너지를 갖는다고 생각하고 수소 원자의 에너지 준위를 계산하였다.
보어는 전자가 궤도 위에서만 건너뛰기를 하고 위로 갈려면 에너지를 얻고 내려 올때는 방출하면서 빛이 나며, 전자가 원자핵과 가장 가까운 궤도로 내려오면 더 이상 갈 데가 없어져 궤도 때문에 전자가 원자핵에 들러 붙는 일은 생기지 않는다고 생각했다. 전자가 움직일때도 궤도에서 궤도로만 갈수 있고, 그때 전자는 에너지를 흡수하거나 방출하는데 불연속적으로 튀는 방식으로 궤도를 옮겨 다니다는 보어의 원자 모델이 탄생하게 되었다. 당시 물리학에서는 상상도 못하는 일이었다.
아래는 전자와 광자에 대한 아인슈타인과 닐스 보어의 치렬한 토론이 있었던 1927년 제 5차 솔베이 회의 사진이다.이 회의에 참석한 29명중에 17명이 노벨상을 수상하였으면 마리퀴리는 두번이나 받았다. 한번쯤은 들은 슈뢰딩거, 파울리, 하이젠베르크, 드 브로이, 보른, 보어, 플랑크, 퀴리, 아인슈타인이 보인다.
보어의 원자 모델로 설명을 하면, 빛도 에너지이기 때문에 빛이 물체에 닿으면 물체를 구성하는 원자에서 낮은 준위에 있던 전자들이 에너지를 흡수하면서 높은 상태의 들뜬 상태가 되는데, 이때 두 에너지 준위(E1, E2) 차에 해당하는 빛만 흡수 할수 있어 물체마다 다른 에너지를 흡수하게 된다.
이렇게 들뜬 상태의 전자는 대체로 오래 버티지 못하고 낮은 상태 다시 내려 오면서 흡수 했던 에너지를 방출하게 되는데 이때도 역시 두 에너지(E1, E2) 차이에 해당하는 에너지를 가진 빛을 방출 하게 된다. 즉 이때 두 에너지 준위의 사이의 에너지 간격이 클수록 방출하거나 흡수하는 빛의 진동수는 크고 파장은 짧아진다.
보어의 원자 모델을 이용한 빛의 흡수와 방출
다시 말해, 전자가 진동을 하면서 전자기파를 방출하는데, 이때 방출되는 전자기파의 고유한 진동수에 따라 빛의 색깔이 결정된다. 우리가 눈으로 볼수 있는 가시광선 중에 가장 진동수가 낮은 빛의 빨간색 광선이고, 가장 진동수가 높은 빛의 보라색 광선이다. 빛이 물체에 도달하여 흡수한 빛 중에서 특정 진동수의 가시광선을 방출하고 우리는 그 진동수로 나타나는 파장으로 색깔을 인지하게 된다.
에너지 준위와 파장, 진동수를 다시 설명하면 아래와 같다.
1) 빨간색, 장파장, 저주파, 낮은 진동수, 낮은 에너지
: 빨간색과 같은 저에너지 광자가 원자를 통과하면 낮은 에너지 레벨 E1에서 더 높은 에너지 레벨 E2 로 전자를 쫓아낼 만큼 에너지가 충분하지 않다. 이는 빛이 원자가 단순히 상호 작용하지 않고 광자가 계속해서 전달된다는 것을 의미하고 그 원자는 빛의 주파수에 '투명'하게 된다.
2) 초록색, 단파장, 고주파, 높은 진동수, 높은 에너지
초록색과 같은 높은 에너지의 광자는 더 짧은 파장을 가지고 있고, 낮은 에너지 레벨 E1에서 다른 높은 에너지 레벨(E2, E3 등)로 전자를 밀어내는 데 충분할수 있다. 이 경우 광자의 에너지는 전자에 에너지를 공급하는 작업으로 소비되고 빛은 흡수되기 때문에 재료는 해당 파장에 대해 투명하지 않게 된다.
이런 원리가 원자가 주파수에서 에너지 관계에 의해서 어떤 색상은 재료를 통과하는 반면 다른 색상은 흡수될 수 있다.
3) 파란색, 초 단파장, 초 고주파, 아주 높은 진동수, 매우 높은 에너지
파란색은 UV 라고 가정하면 에너지가 매우 높고, 파장이 매우 짧다. 이 광자는 에너지 준위 E1의 전자를 더 높은 에너지 준위로 끌어올리기에 충분한 에너지를 가지고 있어 원자에서 전자를 바로 쫓아내고 자유롭게 할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가지고 있어 빛은 흡수되어 해당 파장에 대해 투명하지 않게 된다. 일반적으로 이것은 방사선으로 재료의 변형을 일으킨다. 이런 빛은 인간의 몸에 들어 오면 세포에 영향을 미치고 노화와 암을 유발할수 있다.
즉. 에너지가 높은 빛은 몸에 좋지 않다.
결국, 유리가 투명한 것은 유리는 가시광선 내의 빛은 대부분 재방출하고, 인간이 인지 하지 못하는 자외선이나 적외선 영역을 흡수하여 대부분 열로 전환되기 때문에 투명하게 보이는것이다. 그래서 유리는 가시광선은 투과하고 나머지는 열로 전환되어 방출하기 때문에 온실이나 보온을 위해서 유리를 사용하는 이유이기도 하다.
유리 원자가 가시광선을 흡수 했다가 방출하는데는 아래 그림에서 보듯이 약간의 시간이 소요되며, 소요된 시간만큼 빛이 속력이 줄어들게 되고 파동관점에서 동일파면 기준으로 빛의 각도가 꺽이게 되는 원리이다.
5. 에너지 간격(Bandgap)
빛에너지를 반사나 특정 파장만 흡수하는 것을 결정하는것은 전자에너지(eV)로 결정된다. 이러한 전자에너지는 물체마다 고유한 값을 가지고 에너지간격(bandgap)이 크다는 것은 그만큼 전자를 들뜬 상태를 만들기 위해서는 에너지가 높아야 한다.
자외선은 파장이 짧아 에너지가 높으며,가시광선은 에너지가 낮다. 따라서 에너지 간격(eV)이 높은 물질에 에너지가 낮은 가시광선이 들어오면 에너지 준위에 의하여 전자가 들뜬상태가 되지 않고 투과하게 된다. 그래서 투명한 유리는 에너지 간격이 크다는 뜻이다.
아래는 색깔별로 파장과 에너지 준위를 나타낸것이다. 물체가 가지고 있는 에너지 준위가 아래 Photon energy 와 같거나 크면 에너지를 흡수하면 나머지 색이 나타나고 방출하면 Photon energy가 가지고 있는 color의 선스펙트럼이 나타나게 된다.
6. 검은색은 흡수하고 흰색은 반사하는 이유?
이제 처음의 궁금증이 검은색은 흡수하고 흰색은 반사하는 이유를 설명할수 있을 것이다.
결론적으로 검은색은 빛에너지를 받았을때, 검은색 고유의 에너지 간격으로 가시광선대의 진동수를 가진 에너지 준위의 모든 파장대를 흡수하고 흡수된 에너지는 방출 되지 못하고 열로 전환되어서 빛을 받으면 검은색을 나타내고 따뜻하게 느껴지게 되는것이다.
흰색은 빛에너지를 받으면 가시광선의 모든 파장을 흡수하고, 들뜬 상태의 전자가 다시 흡수된 빛을 방출하면서 흰색을 띠게되고 흰색은 시원하게 느껴지는것이다.
그래서 대부분 여름에는 빛에너지가 열로 전환되지 않고 반사시키기 위해 밝은색 옷이 많고, 겨울에는 빛에너지를 열로 전환해서 따뜻하게 하기 위해 검은색 옷이 많은 것이다.
Part 1
1. 빛의 특성
2. 색깔이 나타나는 원리
3. 빛의 흡수
Part 2
4. 보어의 원자 모델
5. 에너지 간격(Bandgap)
6. 검은색은 흡수하고 흰색은 반사하는 이유?
References
1. RECH6 - 6th International Meeting on Retouching of Cultural Heritage Valencia, Spain ❘ 4th-6th November, 2021, Doi: https://doi.org/10.4995/RECH6.2021.13482
2. Encyclopaedia Britannica. Inc
3. Procrastilearner release this image under the CC BY-SA
4. https://physics.stackexchange.com
6. https://kcccolorndesign.com
'사이언스 스캔들' 카테고리의 다른 글
| Scandal 13 (Part 2). 달이 지평선에서 더 크게 보인다? (398) | 2024.05.25 |
|---|---|
| Scandal 2 (Part 2). 무지개는 아치형이다 (33) | 2024.05.23 |
| Scandal 15 (Part 2). 비눗방울은 왜 무지개색이 변하고 있을까? (86) | 2024.05.22 |
| Scandal 15 (Part 1). 비눗방울은 왜 무지개색이 변하고 있을까? (146) | 2024.05.15 |
| Scandal 14. 인공위성은 떨어지지 않고 어떻게 계속 지구를 돌수 있을까? (108) | 2024.05.07 |
