Instrumental Analysis

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1 Instrumental Analysis
광학분석(분광분석) 개론(교과서. p 131) 주 수업 내용: 전자기 복사선의 특성: 기초 양자론

2 광학분석 (분광분석): Optical analysis, spectroscopy
화학물질이 전자기 복사선(ElectroMagnetic Radiation, EMR)의 특정파장영역을 흡수 또는 방출하는 성질을 이용하여 특정 대상물질(analyte)을 분석한다. 즉, 복사선과 분석물질의 상호작용을 다루는 분야로서, 기기분석에서 가장 큰 영역을 차지하고 있다. (그림자는 왜 생기는가? 유리상자는 양지에 있으면 뜨거운가?) 수업에서 다룸. (고등학교2학년물리) 전자기 복사선의 성질 전자기 복사선은 파동적인 성질과 입자적인 성질(양자론)을 동시에 가지고 있다. 파동적 성질: 간섭, 회절, 굴절, 산란 등을 한다. 입자적 성질: 전자기 복사선은 광자나 양자의 불연속적인 흐름이다.  광자, 양자: 에너지를 가진 입자 입자적 개념(양자적 개념) 없이는 해석이 불가능한 특성이 복사선에는 많다.

3 General concepts before studying
Spectroscopy General concepts before studying 진동수(frequency)를 라 할 때 전자기 복사선의 이동속도는 다음으로 표시할 수 있다. VEMR=    여기서, 는 파장으로 길이의 차원, 는 시간-1의 차원으로 진동수이다. 진공에서의 빛의 속도는 위의 식을 그대로 적용가능하며 다음 식으로 표현한다. c=   =3  108 (m/s) 위의 식에서 진공에서 광속도(‘c’)가 일정하므로 진동수를 알면 파장도 알 수 있다. AM라디오(891 kHz)와 FM라디오의(89 MHz) 파장은 얼마인가?

4 참고 빛의 속도는 저항체의 존재에 의하여 결정된다. 저항체가 없을 경우 최대속도가 되고 저항체가 있을 경우는 느려진다. 빛의 속도 : 공기 중-약 30만㎞/초. 물 속-약 22만 5천㎞/초. 유리 속 약 20만㎞/초. 다이아몬드-약 12만5천㎞/초. 

5 Spectroscopy Frequency (진동수, 주파수) 단위 시간당의 사이클 수 위쪽의 파는 파장이 짧아 진동수가 크다.
즉,  1/ 파수(wavenumber)와 주파수(frequency)의 차이점!!! 주파수는 단위가 Hz[cycle/sec], 파수는 단위가 [cycle/cm]이다. 파수에 대하여는 slide 22장 참고.

6 Spectroscopy Our sun!:정말로 다양한 파장의 전자기파를 방출한다.

7 Spectroscopy 가시광선 가시광선은 파장에 따라 그 색깔이 다르게 나타난다. 480 nm 540 nm 650 nm

8 복사선의 파장과 복사체의 온도: “Wien’s Displacement Law”
Spectroscopy 복사선의 파장과 복사체의 온도: “Wien’s Displacement Law” 에너지 밀도가 가장 높은 복사체의 파장을 max 라 하고, 이때의 표면온도를 T(K)라 하면 이들 둘의 관계는 다음과 같다. max= /T 여기서, 는 (2897 m K)의 단위를 가지는 상수이다. 이를 빈의 변위법칙이라 한다.

9 태양의 가시광선 복사선 파장대의 온도에 따른 변화
Spectroscopy 태양의 가시광선 복사선 파장대의 온도에 따른 변화 과연 태양이 지금보다 짧은 파장을 많이 내 놓는다면(태양의 온도가 더 높다면) 지구는 어떻게 되고 인간은 어떻게 될까?

10 Spectroscopy 1. 빛의 파동적 성질 회절 (diffraction)
복사선의 평행한 빛살이 날카로운 가로막기를 지나거나 좁은 구멍을 통과할 때 구부러지는 현상. 모든 형태의 전자기 복사선에서 나타나며, 기계적 파동이나 음파에도 나타남. 파동의 파장에 비하여 슬릿이 넓으면 회절은 약하고 검출하기 어려우나, 파장과 슬릿의 구멍이 같은 정도의 크기 혹은 슬릿이 파장에 비하여 확실히 좁으면 확실히 관찰된다. 회절은 간섭현상을 유발한다. 파의 간섭현상

11 Spectroscopy 회절모의실험

12 Spectroscopy 간섭(interference ) 양의 실험(Young’s Experiment)
스크린 A의 작은 구멍 S0에서 회절된 빛이 스크린 B에 있는 작은 구멍 S1과 S2를 지나게 되면, 두 개의 작은 구멍을 지난 빛이 스크린 B와 C사이에서 중첩되어 스크린 C에 간섭무늬를 만듭니다. 이때 빛이 밝게 나타나는 점은 보강간섭, 어둡게 일어나는 지점은 상쇄간섭이 일어난다. d Sin 로 많이 표기 n=BC Sin 보강간섭의 조건(n을 간섭차수라 부른다.) 본 식의 유도는 p 137에 자세히 나옴.

13 Spectroscopy ◎ 앞의 그림 (a)에서 알 수 있듯이 경로차(d Sin 는 파장에 크게 의존한다)
보강간섭: 결이 맞은 빛의 상승효과로 빛이 밝게(고강도)로 나타난다. 보강간섭의 조건 d Sin  (경로차, 첫번째 간섭무늬가 나타나는 점까지의 거리)= n 기본 기하로 유도가능 (유도과정 교과서 참고, p136 또는 보충자료참고 ) 상쇄간섭: 결이 맞지 않아 빛이 소멸된다. 상쇄간섭의 조건 d Sin  (경로차)= (n + ½) 여기서, d= 슬릿의 간격(양의실험에서 BC), = 회절각도 =파장 보강간섭 도착한 파가 위상이 같을 때 밝은 무늬가 생기고 같지 않을 때 어두운 무늬가 생긴다. 상쇄간섭

14 Spectroscopy 투과(Transmission)
빛이 투과한다는 것은 광 에너지가 (전자기장) 매질을 이루는 원자 혹은 분자에 주기적 편극(파동특성)을 일으키며 전달됨을 의미. 복사선이 흡수되지 않으면 10-1410-15초 사이에 다시 방출된다. 이때 진동수는 변하지 않으므로 에너지는 변하지 않으나 속도는 느려진다. 방출되는 빛은 모든 방향으로 진행한다.  즉, 산란이 일어난다. 단, 파장이 입자보다 크면 원래 방향으로만 진행한다. 매질의 굴절율(refractive index)은 매질과 복사선의 상호작용의 정도를 나타낸다. (Snell의 법칙참고) i=c/i (i’: 특정진동수 i에서 굴절율, c: 광속도, i: 매질에서 복사선의 속도) i가 크면 굴절율은 작다. 대체로 액체의 굴절율은 1.31.8, 고체는 1.32.5 혹은 그 이상이다.(당연한 이야기?)

15 Spectroscopy 투과율이 크다는 것은 열적으로 어떤 의미가 있는가? (그림자와 유리상자) 필기하여 설명

16 Spectroscopy 굴절 (refraction)
빛이 진행하다가 다른 물질과 만나면 빛의 속도가 달라지므로 진행 경로가 꺾이는데(slide 13), 이러한 현상을 굴절이라고 한다. 굴절의 이유는 매질의 저항이다. 빛이 굴절되는 경우 Snell의 법칙(slide 16:animation참고)을 적용하여 굴절각을 알 수 있다. n1,n2는 매질 1,2에서 각각의 굴절율 (slide13에서는 n을 로 표시) Snell 의 법칙 기준매질이 진공일 경우 1= c, n1=1 이 되므로(slide 14 굴절율 식), 일반적으로 굴절율의 기준매질은 공기를 사용한다.

17 Spectroscopy Snell의 법칙의 유도와 이해

18 Spectroscopy 반사 (reflection)
복사선은 굴절률이 서로 다른 두 매질 사이의 경계면을 지날 때 항상 반사가 일어난다. 이때 굴절률이 클 수록 반사되는 분률이 커진다. 수직방향 입사시 다음의 식으로 반사광의 세기를 구할 수 있다. 빛의 수직방향 입사시 I: 입사광의 세기 Ir: 반사광의 세기 n1, n2: 두 매질의 굴절률

19 Spectroscopy 굴절과 반사에 대한 실험 영상관찰

20 Spectroscopy 분산 (dispersion) 물질의 굴절률이 복사선의 파장이나 진동수에 따라 변하는 것.
정상분산 영역에서는 진동수가 증가 (파장이 감소)함에 따라 굴절률이 점차로 증가한다. 비정상 분산 영역은 굴절률이 급하게 변하는 진동수 영역을 말한다. 빛의 굴절각이 파장에 의존하는 이유를 알려고 하지 마세요. 머리 쥐납니다. 꼭 알고 싶으면 현대물리학, 맥스웰 방정식의 이해가 필요합니다.

21 Spectroscopy 산란 (Scattering)
빛이 투과할 때 원자나 분자에 흡수되지 않으면 잠시 머물다가 방출된다. 이때 산란이 일어난다. 산란은 크게 Rayleigh 산란과 Tyndall산란으로 구분할 수 있다. Rayleigh scattering: 복사선의 파장보다 작은 분자 혹은 입자들에 의한 산란 Tyndall scattering: 복사선의 파장보다 큰 입자들에 의한 산란 아침하늘이 붉은 이유와 가을하늘이 파란이유는 산란이 일어나기 때문이다. 대기중의 공기입자는 파장보다 작기 때문에 Rayleigh 산란이 일어난다.

22 Spectroscopy 2. 빛의 입자적 성질 Hertz, Einstein, Millikan등에 의한 빛의 양자적 성질 검토.
2개의 하전된 구의 표면에 빛을 쪼이면 2개의 하전된 구면 사이에서 스파크(전자)가 더 쉽게 발생한다 (최초의 photoelectric effect발견, 광전자효과 - Hertz). Millikan은 이를 실험적으로 증명하였는데 그 결과는 다음과 같다. 즉, +극으로 사용된 물질들의 전자 운동에너지는 사용된 전자기 복사선의 파수(파장의 역수)에 관련하여 변함을 증명하였다. Einstein은 여기에 대하여 다음의 유명한 관계식을 제안하게 된다 (또한 c=    로부터, 3p). E   E (양자가 가진 에너지)=h·=h·(c/) 1 eV= 1.60210-19 J 양자란 분리할 수 없는 가장 작은 에너지 단위의 입자를 의미. 에너지가 크다는 것은 양자의 운동에너지 또한 크다는 것을 의미.

23 Spectroscopy 전자기 복사선은 광자 혹은 양자의 불연속적 흐름이다. 양자 하나가 가진 에너지는
E=h·로 나타낸다. (Einstein-plancke 관계식, h: 프랑크 상수,  J·s, :진동수) 여기서, 개론에서 나온 광속(진공에서 빛의속도, s3)의 개념을 이용하면 c=·, =c/=c·(1/)=c·(파수, wavenumber) 따라서, E=h·=h·(c/)=h· c· 정의 파수는 단위를 cm당 사이클표기 방식을 택하고 있음에 주의. 즉, [cycle/cm]. 예를 들어 560 nm의 가시광선의 파수는 얼마인가? Cycle은 보통 생략. 암산으로 계산하면 17,857 Cm-1 어떤 양자가 가진 에너지는 그 빛의 파수에 비례하고 파장에 반비례한다. 예제 6-3(p 143)은 반드시 이해 바람.  S3  slide 3

24 우리아들이 초등학교 5학년 때 본 잡지 이 단원에서 배우는 내용은 딱 이 수준입니다.

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26 양자론과 A-P 관계식이 나오기까지 빛의 본질은 파동이다. (15C-18C) 빛의 입자설 문제점:
1. 파동은 전달매체가 존재한다. 가상의 전달매체를 에테르라고 불렀지만200년 동안 밝혀진 에테르의 특성이 없다(가정만 있다). 2. 광전효과를 파동으로 완벽히 설명할 수 없었다. 빛의 입자설 1. Isaac Newton 빛은 작은 입자로 되어 있다고 주장 세상의 반응: 뉴턴이 드디어 돌았다 2. Max Plancke (h=Energy/frequency,  × 10−34 J·s) - 흑체문제 연구: 흑체의 색갈에 관한 연구 - 연구결과: 흑체의 색갈은 흡수하는 에너지에 따라 다양하다. 흑체에서 나오는 복사선은 흑체의 진동하는 입자에 의해 결정되고 특정 복사선을 흡수하면 특정 복사선을 방출한다. - 물질에 따라 고유의 진동수가 존재 방출복사선은 불연속값 프랑크는 자신의 이론이 틀렸음을 증명하려 하였으나 실패함 흑체에서 나오는 복사선은 연속적으로 나오는 것이 아니라 최소에너지단위인 양자(quantum)의 배수로 나옴 광전효과: 1887년 Heinrich Hertz가 발견. 아연 표면에 자외선을 쪼였을 때 금속표면에서 전자가 배출되는 현상

27 3. A. Einstein(광양자론) 프랑크의 이론을 바탕으로 광전효과를 연구 노벨상
빛을 에너지를 가진 입자로 취급(광양자) 빛: 연속적인 파동이 아니라 불연속적인 에너지 입자의 흐름 전자가 에너지를 얻은 상태에서 바닥으로 떨어질 때 에너지를 복사선으로 배출 전자 1개당 광자1개가 나온다 물질에 따라 나오는 광자는 동일하다. 레이저의 원리 특이한 복사선의 흡수는 물질이 진동하는 주파수에 의하여 결정 전기 양자론 빛은 입자/파동의 특성을 모두 갖는다 입자에 대하여 알 수 있는것은 한계가 있다. 우주는 불확실하다 입자는 측정하기 전에는 그 행동이 결정하지 않은 상태이다. 후기 양자론 - 물질/반물질 페어 현상등 영화에 나오는 많은 내용들 현대 물리학: 빛은 진동하는 에너지 입자의 흐름이다.

28 Spectroscopy 파수, 파장, 주파수 및 에너지의 크기에 따른 전자기 복사선의 분류
, : 파장만으로 다루기엔 다소 논란이 있슴. TV FM AM Can kill a woman Can Kill a vampire 주파수=c/

29 Spectroscopy 참고: Energy
물리적인 일을 할 수 있는 능력. 에너지의 크기는 물체가 할 수 있는 일의 양을 의미한다. 단위는 일의 단위와 같이 줄([J]: joule)을 사용한다. 에너지의 단위 물리적 에너지는 일을 할 수 있는 능력으로 일과 같은 단위를 가진다(W=F*S). 국제 단위계(SI)에서는 줄([J]: joule)로 나타낸다. 일의 정의로부터 기본 물리량인 질량, 길이, 시간의 단위를 사용하여 줄([J])을 표현할 수 있다. 일은 힘과 거리의 곱이므로 에너지의 단위도 힘의 단위와 거리의 단위의 곱으로 표현된다. 힘은 질량과 가속도의 곱이므로 (F=m*a)그 단위는 kg·m/s2이 되고 거리의 단위는 m이므로 1 J=1 kg·m2/s2가 된다. 원자물리학이나 소립자물리학에서는 입자의 질량이 매우 작아서 줄보다 작은 에너지 단위인 전자볼트([eV]: electron volt)를 사용한다. 1eV는 전자가 1V의 전위차에 의해서 가속될 때 얻는 운동에너지이며 1 eV= ×10-19 J이다. (전자 1개의 전하량과 같은 값, 단위만 다름) 열에너지는 칼로리([cal]: calorie)를 사용하기도 하는데 1 cal=4.185 J이다. cgs단위계에서는 에르그([erg])를 에너지의 단위로 사용한다. cgs단위계는 기본 물리량인 질량, 거리, 시간의 단위로 각각 [g], [cm], [s]를 사용하는데 이를 사용하여 에르그를 표현하면1 erg=1g·cm2/s2 이며 줄과의 관계는 1 erg=1.0×10-7 J이다.

30 열심히 공부하자. 사는 것은 쉽지만 의미 있는 삶을 사는 것은 쉬운 일이 아니다.

31 Spectroscopy 온실효과와 복사선의 에너지

32 Spectroscopy 빛의 성질정리

33 복사선의 흡수(분광분석이란):다음시간부터의 주요한 주제
Spectroscopy 복사선의 흡수(분광분석이란):다음시간부터의 주요한 주제 빛이 매질을 통과할 때 그 매질에 특정 주파수(특정에너지대)의 빛이 흡수되는 경우가 있다. 이때 빛을 흡수한 매질 입자들은 빛 에너지를 얻어 여기 상태(들뜬상태)가 된다. 원자에서 빛의 흡수와 분석 전자들은 핵 주위의 불연속 궤도를 돌고 있다. 복사광에 의하여 받은 에너지는 궤도에서 궤도로 전이된다.(궤도 사이의 에너지 차는 광자의 에너지와 같다.) 원자, 분자, 이온은 각자 고유한 에너지 수준을 가지므로 각 궤도 사이의 에너지 차는 그 화학 종 고유의 값이다. 따라서 어떤 진동수의 빛을 흡수하는지 알면 그 물질의 원자궤도 또는 분자궤도에 대한 정보를 알 수 있고, 이것으로 화학구조를 알 수 있다(원자흡광분광법). 핵 1s 2s 2p 3s 2 6 1 흡수파장(진동수 6개) 이것으로 Na임을 알 수 있다. 1s2s2p3s순으로 에너지 준위가 높다.

34 액체의 용해도 및 농도와 관련 있는 다음 용어들에 대한 조사.
Spectroscopy Report 액체의 용해도 및 농도와 관련 있는 다음 용어들에 대한 조사. (몰농도, 모랄농도, 노르말농도, pph, ppt, ppm, ppb) 형광과 인광에 대하여 조사하고 이들의 차이점에 대하여 토론하시오. 또한, 형광분석법과 인광분석법의 유사점 및 차이점에 대하여 조사하시오. 양자가 가지는 운동에너지란 무엇인가? 일반적인 에너지 개념과 어떻게 다른지 토론하시오. 그리스문자 및 희랍문자 읽는 법 조사하기. 가을 하늘이 파랗게 보이는 이유와 아침/저녁에 하늘이 붉게 보이는 이유를 설명하시오 중간고사전까지 리포트는 중간고사 기기분석 시험치는 날 p3507로 오후 6시 까지 제출