1. 빛의 스펙트럼

여러가지 광원의 스펙트럼

백열등

  • 텅스텐은 고체 = 빛을 가둘 수 있고, 표면에서 빛 방출. 흑체에 근사
  • 항성과 유사함: 텅스텐의 표면 ~ 항성의 광구

형광등

  • 삼원색 선스펙트럼의 조합 → 백색광(같은 것)
  • 형광등의 원리: 희박한 중성기체 + 자유전자 → 전압 걸어주면 전기장 따라 전자 운동, 중성기체와 충돌, 전리, 자유전자 증가 → 반복 → 전체적 전리 → 전리가 되가라앉으며 에너지 차액을 빛으로 방출
  • 열과 무관한 에너지. 성운과 유사

키르히호프 법칙:

  • 희박한 기체 = 방출선, 고체 = 연속선

나트륨등

  • 처음에는 강한 노란선과 약한 녹색선, 계속 켜두면 노란선 한가운데 방출선 생김
  • 시간이 지나며 전바를 잃은 원자가 많아짐 → 흡수를 할 수 있는 것이 많아짐(고밀도) = 광학적으로 thick 해짐 (선 자체도 옆으로 퍼짐)
  • 태양 스펙트럼에서 흡수선 한가운데 방출선이 있는 것과 반대 현상 (광구 밖에서 온도가 높아지기 때문) ← 채층의 증거

형광등과 성운의 차이점

  • 형광등은 collisional broadning 발생
  • 성운에는 금지선(실험실에서는 볼 수 없다) 발생
    • 허용선 : 보통의 방출선. 올라갔다 금방(100만분의 1초) 내려오며 빛 방출
    • 금지선: 안 내려옴 (1초씩 오래 머무름) < 1cc 당 1개 (극히 낮은 밀도를 의미)
  • 형광등은 밀도가 높고 성운은 낮기 때문

퀘이사

  • 별처럼 보이지만 스펙트럼이 방출선
  • 퀘이사 방출선의 특징: 가는 선과 굵은 선의 혼재
    • 가는선 = 매우 희박한 기체 (~ 성운)
    • 굵은선 = 매우 빠른 회전에 의한 도플러 broadning (강착원반)

전체 스펙트럼의 실례 — 태양

  • 가시광 이상 파장:
    • 온도 5770 K의 흑체에 근사 (광구)
  • 자외선 이하 파장:
    • 흑체복사 곡선에서 나와서는 안 되는 원자외선 이하 파장이 보임, i.e. 열역학적 평형이 아님
    • 원자외선은 채층, 극자외선은 코로나에서 나옴

태양주기(11년마다 그거)

  • 파장별 변화
    • 극자외선: 100-10000 %
    • 원자외선: 1-100%
    • 가시광선 이상: 1% 이하
    • 평균: 0.1% → 태양 극대기는 극소기보다 0.1% 밝다
      • 짧은 파장은 증감폭이 매우 크지만 원래 방출량이 소수점 단위라 큰 기여를 못 함
      • 극대기에는 흑점이 있는데 밝다? 태양이 자전해서 흑점이 뒤로 갔을 때 찍어서 비교
  • 태양주기의 원인은? i.e. 극대기에 밝아지는 원인은?

프라운호퍼선

프라운호퍼선: 태양의 가시광 흡수선들

  • 가시광: 약 3900-7000 옹스트롬
640px-Fraunhofer_lines.svg.png
  • 발머선: 붉은색 H α(n=2 → n=3) > 하늘색 H β(n=2 → n=4) > 푸른색 H γ > 보라색 H δ
    • 수소의 공명선은 자외선 대역의 라이먼 계열
    • 수소선의 특징: 폭이 좀 넓음 (수소는 가벼워서 운동을 많이 하기 때문)
  • 보라색 전리칼슘(Ca II) 2개 (K, H) ← 칼슘의 공명선
    • 공명선: 해당 원자가 가장 잘 반응하는 스펙트럼. 바닥상태에서 바로 위 상태 사이에서 발생
    • 칼슘의 공명선이 두개인 것은 들뜨는 상태가 두개이기 때문
    • 전리칼슘선이 넓은 것은 가벼운 탓은 아니고…
  • 4300 옹스트롬 근처의 G대: 분자
  • 주황색 나트륨선 (나트륨의 공명선)
  • 녹색 마그네슘선 (마그네슘의 공명선)
  • 흡수선의 이유
    • 태양에서는 흡수도 일어나고 방출도 일어남
    • 흡수가 방출보다 더 많이 일어남 ← 흡수할 것이 많다
    • 흡수선 생기는 곳(광구)은 빛이 오는 곳(태양 내부)보다 온도가 (상대적으로) 낮다
  • 태양의 방출선 사례: 홍염
    • 홍염은 태양 밖으로 멀리 튀어나온 기체. 배경(태양)이 없기 때문에 방출선만 보임
    • 홍염이 보이는 이유: 태양 자체 광자가 홍염 기체에 산란(파장은 같고, 방향만 달라짐)
    • 전리수소영역은 산란 아님

키워드

  • 광원들의 스펙트럼의 다양성의 원인
    • 선스펙트럼 vs. 연속스펙트럼
    • 흡수선 vs. 방출선
    • 광학적 thin vs. thick
    • 열흡수-복사 vs. 산란
    • 국소 열역학적 평형(LTE) vs. non-LTE
  • 스펙트럼에서 알 수 있는 광원의 물성
    • 온도
    • 속도
    • 밀도
    • 화학 조성
    • 자기장, 전기장