분광학(spectroscopy) 기초 지식

 

분광학의 기초 이론

분광학(spectroscopy)은 파장(λ)에 따른 빛과 물질 간의 상호작용을 연구하는 학문, 혹은 분광기를 사용하여 빛을 스펙트럼으로 나눠 연구하는 학문을 의미합니다. 과거에는 프리즘과 같은 물건을 이용해 파장 별로 분산된 가시광선을 관찰하는 것을 의미했습니다. 이후 그 개념이 확장되어 파장 혹은 주파수(ν)에 따른 어떠한 양을 측정하는 것을 의미하게 되었습니다. 따라서 입자 복사와의 상호작용 또는 주파수가 변하는 전자기장에 대한 반응을 연구하는 것 역시 분광학이라 불립니다. 뿐만 아니라 광자의 'E=hν' 관계식에 따라 파장 혹은 주파수 대신 에너지(E)를 변수로 이용하는 것도 포함하게 되었습니다. 파장이나 주파수의 함수로 주어지는 반응의 값을 도표로 표현한 것을 스펙트럼이라 부릅니다. 각 원소는 빛, 파장, 에너지를 투과시키는 경우 고유의 스펙트럼을 내뿜고, 이를 이용해 관찰하고자 하는 화합물에 무슨 원소가 포함되어 있는지 알아낼 수 있습니다.

분광학은 이러한 반응의 값을 측정하는 것으로, 이런 측정을 위해 사용하는 장치가 분광계입니다. '분광계'라는 용어는 분광학이 처음 시작된 광학 분야에서 유래했습니다. 

분광학은 분석화학과 물리 분야에 적용되는데, 물질에 흡수되는 스펙트럼이나 물질에서 방출되는 스펙트럼을 분석해서 물질을 식별하며, 천문학이나 원격 센서에도 중요하게 활용됩니다. 대부분의 대형 망원경에는 분광계가 설치되어 있고, 천체의 물리학적 특성과 화학적 조성을 측정하거나 스펙트럼선의 도플러 이동을 통해 천체의 속도를 측정하는 데에도 사용됩니다.

'분광학'이라는 용어에 대한 유래는 다음과 같습니다. 라틴어로 스펙트럼은 '환영'을 의미하고, 그리스어로 skopos는 관찰자를 의미합니다. 따라서 환영 관찰자라는 의미를 갖는 분광학자는 분광학을 의미합니다. 전자기 스펙트럼의 서로 다른 영역에서 다른 파장의 빛과 시료의 상호 작용을 측정하는 것을 '분광학', 분광 소자에 의해 스펙트럼으로 분해된 빛을 이용해 광 스펙트럼 영역에서 상대 값을 측정하는 기기를 '분광기'라고 합니다.

물질과 전자기 방사선의 상호작용은 크게 흡수과정과 방출과정으로 분류할 수 있습니다. 흡수 과정은 광원에서 방출된 전자기장이 시료에 흡수되고 검출기에 도달하는 방사 에너지의 감소가 발생하는 과정입니다. 방출 과정은 전자기 방사선이 시료에서 나와 검출기에 도달하는 방사 에너지가 증가하는 과정입니다. 흡수 과정과 방출 과정에는 서로 다른 에너지 준위로 전이하는 과정을 포함합니다. 전이가 발생할 때 입사 광자는 두 상태 사이의 에너지 차이와 같은 에너지를 가져야 하는데, 이 경우 에너지가 흡수되고 들뜬상태로 전이과정이 발생할 수 있습니다. 이러한 전이에는 전자 에너지, 진동 에너지, 회전 에너지와 같은 변화가 수반됩니다. 에너지 크기는 전자에너지, 진동에너지, 회전에너지 순으로 점점 작아집니다. 

흡광도와 농도 관계에 활용되는 식에는 'Lambert의 법칙'과 'Beer의 법칙'이 있습니다. Lambert의 법칙은, 투명 매질에 의해 흡수된 빛의 양은 입사광의 강도와 무관하고 각각의 연속적인 매질 두께 단위는 매질을 통과하는 빛의 동일한 부분을 흡수합니다. Beer의 법칙 내용은, 빛 흡수는 시료의 흡수 종 수에 비례하는 것입니다. 'Beer-Lambert의 법칙' 역시 흡광도와 관련된 식입니다. 'A=-logT=ε·b·c' 식으로 표현되는 이 식에서 ε는 흡광 계수 또는 몰 흡광도를 의미하고, b는 투과 경로 길이, c는 농도를 의미합니다. 흡광도는 흡광 계수, 투과 경로 길이, 그리고 농도에 비례합니다. 

 

분광학에 이용되는 용어 정리

• 파장(Wavelength): 공간에 퍼져 있는 파동의 한 번의 주기가 가지는 길이로, SI단위는 미터입니다. 수식에 사용할 때에는 보통 람다(lambda: λ)로 표현합니다. 전자기 스펙트럼에서 파장이 가장 짧은 것부터 긴 것으로 차례대로 나열하자면, 감마선, 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 테라헤르츠파, 마이크로파, 전파 순서입니다. 파장이 짧을수록 진동수가 높아집니다.
• 빛(light): 좁은 의미에서는 사람이 볼 수 있는 '가시광선'이라는 전자기파를 의미합니다. 넓은 의미에서는 전파, 적외선, X선 등 모든 영역에 있는 전자기파를 의미합니다. 물리학에서는 매질 없이 전파하는 전자기파를 빛이라 정의하고, 전기 또는 자기를 띄는 물질이 가속 운동하면 전자기파가 전파합니다. 하지만 빛은 회절과 간섭의 파동성을 띄기 때문에 양자 물리학에서의 빛은 파동뿐 아니라 입자로서의 이중성을 갖습니다.

 

분광학적 분석법

• 핵자기 공명법 (NMR: Nuclear Magnetic Resonance)
• 적외선 분광법 (IR: Infrared Spectroscopy)
• 라만 분광법 (Raman: Raman Spectroscopy)
• X-선 분광법 (XRF: X-ray spectroscopy)
• 감마선 분광법 (Gamma spectroscopy)
• 자외선, 가시광선 분광법 (UV-Vis: Ultraviolet/Visible Spectroscopy)
• 근적외선 분광법 (NIR: Near Infrared Spectroscopy)
• Auger 전자분광법 (AES: Auger Electron Spectroscopy)
• X-선 광전자분광법 (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)
• 테라헤르츠파 분광법 (THz TDS: Terahertz Time Domain Spectroscopy)
• 원소분광법 (AAS: Atomic Absorption Spectroscopy)
• 유도플라즈마분광법 (ICP-AES: Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)
• 분광학 현미경 (Vibrational Imaging) - 라만분광학 현미경(CARS Imaging: Coherent Antistoke Raman Scattering), 적외선분광학 현미경