귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 20. 스펙트럼

20. 스펙트럼

 

(1) 흡수와 방출 스펙트럼
1) 흡수 스펙트럼
광원으로부터 나오는 백색광이 분석하고자 하는 어떤 보석을 투과할 때, 그 보석 특
유의 파장이나 파장영역에서 흡수되어 없어지거나 약해진다. 이 투과광의 스펙트럼을
그 물질의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)이라고 한다. 일반적으로 물질이 기체
원자이면 선 스펙트럼의 위치에 나타나는 몇 줄기의 암선(暗線)이 되지만, 액체, 고체에
서는 폭 넓은 띠 모양의 흡수대인 밴드 스펙트럼이 된다. 이러한 흡수는 낮은 에너지 준
위에서 높은 에너지 준위로의 천이(遷移, transition)에 의해 일어난다.

흡수 스펙트럼

방출 스펙트럼

2) 방출 스펙트럼
방출 스펙트럼(emission spectrum)은 흡수 스펙트럼과 반대로 원자나 분자 또는 보
석이 높은 에너지 준위로부터 낮은 에너지 준위로 천이할 때 어떤 파장들에서 방출하는
전자기파 스펙트럼이며, 밝은 선들로 나타난다. 발광 스펙트럼 또는 복사 스펙트럼이라고도 한다.

 

연속 스펙트럼 - 태양빛이나 별빛을 프리즘에 통과시켰을 때, 나타나는 연속적 인 색들의 띠 흡수 스펙트럼 - 고온의 광원에서 나온 빛을 저온의 기체에 통과시켜 프리즘으 로 분산시켰을 때, 연속 스펙트럼을 배경으로 나타나는 어두운 색의 띠 방출 스펙트럼 - 기체를 고온으로 가열시킨 후 광원을 피한 방향에서 프리즘을 통과시켰을 때, 흡수선이 나타나던 자리에 나타나는 밝은 색의 띠

 

(2) 분광기
보석의 체색에 대한 흡수스펙트럼을 관찰하기 위한 감정 기구를 분광기(分光器,
spectroscope)라고 한다. 분광기 내에는 빛을 분산시키기 위한 부품으로 프리즘형과 회
절격자형이 있다.

1) 프리즘 분광기
보석에서 나오는 빛을 분산시키기 위해 여러 개의 유리 프리즘을 연결한 분광기를 프
리즘형(prism type) 분광기라고 한다[그림 2-41].
① 프리즘 분광기의 특징
프리즘 분광기는 스펙트럼 색이 등간격으로 일정하게 분포되어 있지 않다. 청색이
나 보라색 부분은 넓고 적색 부분은 좁다. 적색 영역의 흡수선들은 밀집되어 있기
때문에 파장이 비슷한 흡수선들은 중첩(重疊)되므로 흡수선의 분해가 어렵고 상대
적으로 청색 및 보라색 영역의 흡수는 보기가 쉽다. 그런데 스펙트럼 자체는 일반
적으로 밝고 선명한 스펙트럼을 얻을 수 있고, 파장의 수치가 동시에 표시되기도
한다. 대부분의 탁상용 모델은 프리즘 분광기이다.
② 프리즘 분광기의 구조와 원리
프리즘 분광기는 일반적으로 기구에 들어가는 빛의 양을 조절하는 조정 슬릿(slit) 이 있고, 초점을 조절하는 경통으로 스펙트럼의 여러 부위에 초점을 맞출 수가 있다.

프리즘 분광기

2) 회절격자 분광기
회절격자형(diffraction-grating type) 분광기는 회절격자를 이용하여 빛을 분산시
킨다[그림 2-42].
① 회절격자 분광기의 특징
회절격자 분광기의 스펙트럼은 항상 밝지 않으며, 흡수도 선명하지 않다. 그러나
스펙트럼의 간격이 균일하게 분포되어 있어, 특히 적색영역에 있는 흡수선들의 분
해가 프리즘형 분광기보다 용이하다. 간편하기 때문에 대부분의 휴대용 모델들은
회절격자형 분광기이다.

회절격자 분광기

프리즘형과 회절격자형 분광기의 파장 분포

② 회절격자 분광기의 구조와 원리
회절격자는 가는 회절격자 선을 특수 인쇄하여 빛이 회절격자를 통과할 때 인접한
파장끼리 서로 회절 및 간섭을 하게 하여 어느 파장은 증가시키고, 어느 파장은 소
멸시켜 스펙트럼을 만드는 원리이다.
3) 분광성 검사가 필요한 주요 보석
① 철, 크롬 영역의 흡수 여부를 통한 감별이 필요한 보석
② 녹색 비취와 녹색 칼세도니의 염색 여부
③ 알만다이트 가닛, 파이로프 가닛, 스페샤르타이트 가닛 등의 다양한 가닛 종
④ 지르콘, 사파이어, 페리도트, 터키석 등 몇몇 보석의 천연과 합성, 모조석 여부

(3) 프라운호퍼선
태양광선의 스펙트럼이 무지개색인 7가지의 색으로 나타나는 사실을 뉴튼(I.
Newton, 1664)이 프리즘을 통하여 밝혀냈다. 그 이후 좀 더 성능이 좋은 분광기를 사
용하여, 태양의 스펙트럼 속에는 7가지색 외에 많은 검은 선들이 들어 있다는 사실을
알게 되었다. 독일의 프라운호퍼(J. Fraunhofer, 1814)는 태양광선의 스펙트럼을 더욱
자세히 조사하여 324개의 검은선을 발견하였다. 발견자의 이름을 따서 프라운호퍼선
(Fraunhofer line) 또는 흡수선이라고 한다.
현재까지 알려진 프라운호퍼선의 수는 3만개가 넘는데, 그중 가장 뚜렷한 흡수선만을 A에서 K까지 기호를 붙여 놓았다<표 2-12>. 태양 스펙트럼 속에 있는 이들 프라운호퍼
선은 지구와 태양 사이에 빛을 흡수하는 물질이 있다는 증거로 볼 수가 있다. 또한 스펙
트럼의 세기나 폭은 그 빛을 내거나 흡수하는 원자수와 운동 상태를 알아내는 실마리가 된다.

<프라운 호퍼선>

선	파장(nm)	색	원소
A	759.4	암적색	산소
B	686.7	적색	산소
C	656.3	오렌지색	수소
D1	589.6	황색	나트륨
D2	589.1	황색	나트륨
E	526.9	녹색	철
F	486.6	청색	수소
G	430.8	청남색	철
H	396.8	자주색	칼슘
K	393.4	암적색	칼슘

* 프라운 호퍼선(fraunhofer lines) - 태양 광선을 분광기로 분해한 스펙트럼 가
운데, 7가지색 외에 나타나는 무수한 암선(暗線)으로서, 독일의 물리학자 프라
운호퍼(J. Fraunhofer, 1814)에 의해 처음 324개의 흡수선이 발표된 이후 현재
까지 알려진 프라운호퍼선의 수는 3만개가 넘는다. 암적색(759.4nm)부터 각 파
장을 A, B, C, …의 기호로 표기한다.