Chapter 2. Introduction to Spectroscopy (분광학 소개)

2. Introduction to Spectroscopy (분광학 소개)

2.1 Interaction between electromagnetic radiation and matter (전자기파와 물질간의 상호작용)

 

 이번 장에서는 spectroscopy(분광학)이란 무엇인가에 대해 배우겠습니다. 2.1 제목에 나와있는 그대로 spectroscopy란 전자기파와 물질간의 상호작용을 연구하는 학문입니다. 

 

2.1.1 What is electromagnetic radiation?(전자기파란 무엇인가?)

Fig. 1 전자기파가 x 방향으로 나아가는 모습(Undergraduate Instrumental Analysis' 7th edition. by James W. Robinson et al.)

 과학자들은 빛에 대해 계속해서 연구해왔습니다. 현재 빛에 대한 의견은 빛이란 파동과 입자의 성질을 동시에 가진다는 것입니다. 전자기파란 빛을 의미하며 전기장과 자기장이 서로 수직으로 맞물려서 진행하는 파동입니다. 

 빛은 에너지를 갖고 있습니다. 에너지를 갖는 빛이 물질에 부딪힌다면 당연히 물질은 어떠한 반응을 보일 것입니다. 이를 해석하는 학문이 바로 spectroscopy라는 학문입니다.

 

 빛의 에너지는 다음 식으로 구할 수 있습니다. $ E = h\nu$

 여기서 h는 Planck 상수를 말하며 $ h = 6.626 * 10^{-34} J*s$ 입니다.

 $\nu$란 frequency(주파수) [Hz]를 의미합니다. 

 즉, 빛의 에너지는 주파수가 클수록 커진다는 것을 알 수 있습니다. (h는 상수이기 때문에 고정)

 

또한 $ c = \lambda * \nu$ 임을 알면 주파수를 알면 파장을 구할 수 있고, 그 반대도 가능합니다.

c : 빛의 속도. 2.997 * $10^{8} m/s$

$\lambda$ : 파장 [m]

 

위의 수식들로 알 수 있는 것은, 특정 파장대의 전자기파는 특정한 에너지를 갖는다는 것입니다. 즉 여러가지 파장대의 전자기파를 이용해 물질을 다양한 방법으로 조사할 수 있다는 것을 의미합니다. 

Fig. 2 전자기파 스펙트럼(Undergraduate Instrumental Analysis' 7th edition. by James W. Robinson et al.)

2.1.2 How does electromagnetic radiation interact with matter? (전자기파는 어떻게 물질과 상호작용할까?)

 

 원자와 전자, 이온들은 일정한 운동을 하고 있습니다. 예를 들어, 분자는 회전, 진동, 이동하는 운동을 할 수 있습니다. 전자기파의 에너지는 이러한 운동에 영향을 미칠 수 있습니다. 만약 빛이 어떤 샘플과 부딪힌다면 샘플에 의해 빛은 흡수되거나, 투과하거나, 표면에 반사되거나 scatter(산개)될 수 있습니다.

 

 원자나 전자와 같은 아주 작은 물질들의 에너지는 양자화 되어 있기 때문에 이러한 상호작용의 양자역학적 법칙을 따릅니다. 상호작용으로 인한 에너지의 변화는 다음과 같습니다. $$ \Delta E = E_{final} - E_{initial} = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$$ 특정한 원자나 분자는 어떤 특정한 파장만을 흡수하거나 방출할 수 있습니다. 또한 그 파장이 흡수되거나 방출 되는 정도는 그 종의 고유한 성질입니다. 다시 말하면, 빛 에너지를 샘플에 쬐어주고, 변화된 에너지의 양을 측정하면 그 물질이 어떤 물질인지 알 수 있다는 뜻입니다. 이것이 spectroscopy의 핵심 원리입니다. 다음 챕터에서 차례차례 spectroscopy의 종류와 기본 원리들을 배울 것입니다.

 

2.4 Absorption laws

 

 여기서는 빛이 샘플을 투과할 때의 법칙에 대해 배우겠습니다.

 

 Intensity ($I$) : The power per unit solid angle

 샘플을 투과하기 전 빛의 intensity를 $I_{0}$라고 하고, 투과하고 난 뒤의 intensity를 $I$라고 하겠습니다.(Fig. 3)

이 때, 투과도는 다음과 같습니다. $$ Transmittance \quad   T = \frac{I}{I_{0}}$$

그리고 흡광도(Absorbance)는 다음과 같이 계산합니다. $$ A = \log\left(\frac{I}{I_{0}}\right) = \log\left(\frac{1}{T}\right) = -\log{T}$$

여기서, 아주 중요한 식인 Beer-Lambert-Bouguer law가 등장합니다. (Beer의 법칙)$$A = abc$$

a : absorptivity (흡수율)

b : path length (빛이 통과하는 길이 : 샘플의 두께)

c : concentration (농도)

 어떤 법칙에 대해 배울 때 우리가 항상 유심히 살펴봐야 할 부분은 이 식을 통해 알 수 있는 것이 무엇인지 입니다. 여기서는 샘플에 빛을 투과시켜 물질이 무엇인지를 알아보려고 하는 분석입니다. 이 때 우리가 알고 있는 것은 빛의 intensity, path length, concentration 입니다. 전부 조절할 수 있는 것들이죠. 즉 a만 우리가 조절할 수 없는 부분이며, 이것은 물질 고유의 특성입니다. 즉, 초기의 빛의 intensity를 알고 투과한 뒤의 intensity를 측정하면 샘플에 있는 물질이 무엇인지에 대해 알 수 있다는 뜻입니다.

 Beer's law의 한계점은 묽은 용액에서는 잘 성립하지만 농도가 올라갈수록 잘 맞지 않습니다. 그 이유는 농도가 증가하면 molecule들 간의 상호작용이 일어나 여러 분자들이 겹치게 되고, 농도가 높다고 하더라도 흡광도는 그만큼 올라가지 않기 때문입니다. Chapter 2 에서는 여기까지 다루도록 하고, 다음 챕터 부터는 여러가지 종류의 Spectroscopy에 대해 다루도록 하겠습니다.

Fig. 3 전자기파가 샘플을 투과할 때 모형(Undergraduate Instrumental Analysis' 7th edition. by James W. Robinson et al.)