Basics

1. 빛과 에너지

우리는 빛을 이용하여 물질의 성질을 규명하기 때문에, 어떤 빛을 써야 하는가가 중요한 문제이다. 전자기파의 일종인 빛은 종류에 따라 다른 에너지를 가지고 있으며, 우리가 사용하는 빛의 에너지에 따라 규명할 수 있는 특성이 달라진다.

전자기파의 종류를 에너지에 따라 구분하면 아래의 그림과 같다. 그림에서 파장(nm 등), 파수(cm^-1), 진동수(Hz), 줄(J), 전자볼트(eV) 등 다른 종류의 에너지 단위를 에너지 영역 별로 사용하며, 일반적으로 소숫점 위 3자리 정도로 사용할 수 있는 단위가 많이 쓰인다.

(참고: [Optics] by E. Hecht)

2. 빛과 물질의 상호작용

분광학에서 연구 대상은 빛 자체가 아니라 빛과 물질과의 상호 작용이다. 빛이 물질에 조사되면 물질 내부의 운동과 상호 작용을 하면서 입사된 빛과 다른 에너지, 운동량, 방향성을 갖는 빛이 새롭게 생성된다. 아래의 그림은 상호작용을 거쳐서 나오는 빛을 관찰할 수 있는 경로를 설명하고 있다.

빛이 고체가 아닌 분자에 입사될 경우 빛은 흡수되거나(흡광, absorption), 흡수된 후 새로운 빛으로 바뀌어서 나타나거나(발광, emission) 혹은 입자의 관점에서 산란(scattering)을 일으킨다.

발광은 일반적으로 전자가 들뜬상태에서 바닥상태로 빛을 내는 현상이며, 들뜬상태와 바닥상태의 스핀 상태가 같은 경우를 형광(fluorescence), 스핀 상태가 다를 경우 인광(phosphorescence)라고 한다.

분자와 같이 빛의 파장보다 매우 작은 물질과 광자(photon)가 충돌할 경우 광자와 분자 사이에 에너지 전달 없이 에너지가 유지되는 탄성 산란과 둘 사이에 에너지 교환이 일어나는 비탄성 산란의 두 가지 경우가 생기는데 이를 각각 레일리 산란(Rayleigh scatter)과 라만 산란(Raman scattering)이라고 한다.

만일 입자의 크기가 매우 커져서 빛의 파장과 비슷할 경우 일어나는 산란을 미 산란(Mie scattering)이라고 하며 Mie는 입자가 구라는 가정하에 산란의 문제를 계산하였다. 고체의 경우 광자가 고체 격자의 진동(포논, phonon)에 의해 산란이 일어나며 이를 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)이라고 한다.

3. 빛 에너지의 전환

우리는 양자화학을 통해 빛이 분자에 흡수된 이후의 분자의 변화를 살펴볼 수 있다. 분자의 에너지는 다양한 종류의 내부에너지와 운동에너지로 변화할 수 있는데, 특히 자외선/가시광선 영역의 빛을 흡수하면 분재 내부에 존재하는 전자의 에너지가 커지며, 적외선/마이크로파 영역에서는 흡수된 에너지가 분자의 진동/회전 에너지로 전환된다. 다음의 Jablonski diagram은 분광학에서 주 관심영역인 자외선/가시광선/적외선/마이크로파 영역에서 분자의 에너지 변환을 도표로 보여준다.