1. 서론 : 가스의 흡수 스펙트럼

전자기파가 원자에 작용하면 흡수되거나 방출된다. 1814년 독일의 요제프 프라운호퍼는 태양 가시광선 스펙트럼 속에서 암선을 관측하였다(그림 1). 프라운호퍼 이전인 1802년에도 영국의 월라스턴이 프리즘을 통해 태양 스펙트럼을 관찰하고, 몇 개의 검은 선을 발견하였다. 태양광을 분광하면 기본적으로 보라색에서 빨간색까지 연속적으로 이어지는 빛의 띠인 ‘연속 스펙트럼’이 나타난다. 연속 스펙트럼은 열을 가진 모든 물체에서 방출되는 흑체 복사(열 복사)이다. 연속 스펙트럼이 어떤 분포를 보이는지는 그 물체의 온도에 의해서만 결정된다. 태양처럼 6,000도 정도의 항성은 주로 가시광선을 방출한다. 태양의 가시광선 스펙트럼은 녹색에서 노란색에 이르는 빛이 가장 강하다.(1) 프라운호퍼는 슬릿으로 좁게 조절한 햇빛을 콜리메이터를 이용해 평행광으로 만든 뒤, 고품질 프리즘으로 분산시키고 망원경을 통해 관찰하였다. 접안부에 눈금이나 마이크로미터를 부착해 스펙트럼을 정밀하게 관찰할 수 있도록 하는 등 오늘날 분광기의 원형이 되는 장치를 직접 제작하였다.

프라운호퍼는 11세부터 유리 장인의 견습생으로 일했으며, 균일하고 투명도가 높은 광학 유리를 만드는 기술을 익혔다. 빛의 분산은 17세기에 뉴턴이 프리즘을 사용하여 백색광을 분해함으로써 보라색에서 빨간색에 이르는 7가지 색, 이른바 무지개색의 연속적인 빛의 띠로 나타났다. 프라운호퍼는 단순히 ‘색을 바라보는’ 것이 아니라 흩어진 색의 각도와 위치를 측정하여 기록하는 아이디어를 떠올렸다. 이것은 분광으로 발전한다. 프리즘에 펼쳐진 무지개빛 띠를 확대해 보면 곳곳에 가느다란 검은 선이 보인다. 게다가 항상 같은 위치에 나타난다. 프라운호퍼는 574개에 달하는 암선을 A~H 등의 기호로 체계적으로 표시하고, 특히 노란색 부근의 D선을 기준선으로 삼아 사용하였다. 즉 검은 선은 연속 스펙트럼 내에서 고정된 위치에 존재하며, 태양광 스펙트럼 속에서 어떤 물리적 요인을 지닌 징후라고 생각하였다.(2) 프라운호퍼는 암선의 각도를 정밀하게 측정하여 렌즈와 유리의 굴절률 및 분산 특성을 평가하는 데 활용하였다. 광학 유리의 조성 및 색수차 보정을 철저히 연구하기 위해 검은 선을 자연이 마련해 준 눈금으로 활용하였다. 이후 프리즘 대신 미세한 선이 다수 새겨진 회절 격자를 사용하여 측정 정밀도를 높였고, 검은 선의 각도를 파장과 대응시킴으로써 파장의 정량화로 발전시켰다.

프라운호퍼가 기록한 태양광 스펙트럼의 흑선은 장기간 ‘원인을 알 수 없는 수수께끼’로 여겨졌다. 그러나 19세기 중반 독일의 화학자 로베르트 분젠(Robert Bunsen)과 물리학자 구스타프 키르히호프(Gustav Kirchhoff)가 이 수수께끼를 풀게 되었다. 그들은 불꽃 속에서 금속을 태우고, 그 과정에서 나오는 빛을 프리즘으로 관찰하여 각 원소가 고유한 스펙트럼선을 방출한다는 사실을 밝혀냈다. 1860년 키르히호프는 빛의 복사 에너지와 흡수 에너지의 비율이 온도와 복사 파장에만 의존하며, 모든 물질(물체)에 공통적으로 적용된다는 ‘키르히호프의 분광 법칙’(3)을 발견했다. 그의 말에 따르면, 고밀도의 물체(고체·액체·고밀도 기체)는 모든 파장을 포함하는 연속 스펙트럼을 방출한다. 저밀도의 발광 가스는 특정 파장만을 선으로 발광한다(발광 스펙트럼). 또한 연속 광원 앞에 차가운 저밀도 가스가 있으면 빛 속의 특정 파장이 흡수되어 암선(흡수 스펙트럼)이 나타난다.

1860년 전후에 분젠과 키르히호프는 분광 분석 연구를 진행하며 분광기의 구조를 개량하고, 화학 분석에 활용할 수 있을 정도로 실험 정밀도를 높였다. 입사되는 빛을 슬릿으로 좁게 만들고, 프리즘이나 렌즈로 분산시켜 스펙트럼의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 장치로 발전시켰다(그림 2).(4) 두 사람은 태양광 스펙트럼의 검은 선에 대한 수수께끼를 고찰하는 과정에서 소금이나 금속을 고온의 불꽃에 넣었을 때 나타나는 화염색 반응에 주목하였다. 나트륨을 불꽃 속에 넣으면 육안으로 볼 때 불꽃 전체가 강렬한 노란색으로 빛난다. 이 빛을 분광기를 통해 관찰하면, 무지개처럼 펼쳐진 스펙트럼 속에서 노란색 대역(570~ 590 ㎚ 부근)의 한가운데에 날카롭고 밝은 두 줄이 드러난다. 이것이 나트륨 D선(파장 589 ㎚ 부근)이다. 한편 나트륨을 가열하여 증기로 만들고, 그 앞에 백열등의 빛을 통과시켜 분광기로 관찰한다. 그러면 무지개색 스펙트럼에서 노란색 띠의 중앙인 589 ㎚ 위치에 가늘고 어두운 선이 관찰된다. 이것이 나트륨의 흡수선이다. 즉, 같은 위치에 나타난다는 점에서 발광선과 흡수선은 한 쌍으로 대응하고 있음을 알 수 있다. 이러한 사실로부터 태양 스펙트럼의 흑선은 태양이나 지구의 대기 중에 존재하는 원소가 특정 파장의 빛을 흡수한 결과라는 것을 밝혀냈다.

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행)

2026년 8월호(연재)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의 무단 전재 및 복사는 저작권법상 금지되어 있습니다.