CO 가스 흡수 스펙트럼

적외선(Infrared, IR)은 전자기파 스펙트럼에서 가시광선의 붉은색 끝으로부터 마이크로파까지 이르는 영역을 말하며, 파동수(σ)로는 1,280,000~5,000m

^-1

, 파장(λ)으로는 0.78~200µm의 영역에 해당한다.

이것을 그림 3.1에 나타내었다.

100nm 1um 1mm 10mm 100mm 1m 10m 100m 1km

2.5um 15um

UV IR Microwave

Radiowave Visible

Near to Mid IR useful for Sensing Air Pollutants

그림 3.1 전자기파 스펙트럼

표 3.2 파장에 따른 적외선의 분류

영 역 파장(λ, µm) 파동수(σ, m

^-1

) 진동수(ν, Hz) 근 적외선 0.78~2.5 1,280,000~400,000 3.8×10

¹⁴

~1.2×10

¹⁴

중간 적외선 2.5~15 400,000~67,000 1.2×10

¹⁴

~2.0×10

¹³

원 적외선 15~200 67,000~5,000 2.0×10

¹³

~1.5×10

¹²

이러한 적외선은 표 3.2와 같이 파장에 따라 세 가지 영역으로 나 눌 수 있는데, 가시광선에 가까운 근적외선 영역(Near IR), 중간 적외 선 영역(Mid IR) 및 원적외선 영역(Far IR)이 그것이다.

한 분자를 구성하고 있는 원자들의 결합은 서로 움직일 수 없도록 고정된 것이 아니라, 스프링과 같이 탄력이 있는 줄에 매달려 있다고 할 수 있다. 이러한 분자가 일으킬 수 있는 진동운동의 진동방식 (Vibration mode)은 크게 두 가지로 나뉘는데, 첫째는, 스프링에 매달 린 두 원자가 스프링과 같은 축에서 서로 밀고 당기는, 즉 원자의 무게 중심만 이동하여 원자들 사이의 결합 길이가 길어졌다 짧아졌다하는 신축진동(Stretching vibration) 방식이고, 둘째는, 원래의 결합축에 대 하여 원자들의 위치가 변하는, 즉 원자들 사이에 이루고 있는 결합각이 변하는 변형(Deformation) 또는 굽힘진동(Bending vibration) 방식이다.

Symmetric Stretching

Asymmetric Stretching Out-of-Plane Bending In-Plane Bending

(+) (+)

(-)

(-) (+)

(a) (b)

그림 3.2 여러 가지 분자운동의 진동방식

그림 3.2는 이러한 여러 가지 분자운동의 진동방식을 나타내고 있 으며, 그림에서 (+)는 종이의 전면으로의 움직임, (-)는 종이의 뒷면으 로의 움직임을 나타낸다.

분자들이 이러한 진동방식에 해당하는 진동운동을 일으키기 위해서 는 결합의 종류 및 세기, 그리고 결합을 이루고 있는 원자의 종류에 따 라 고유한 진동 주파수(Vibration frequency)에 해당하는 빛 에너지를 흡수해야만 한다. 그러므로 분자에 중간 적외선에 해당하는 빛을 쬐어 주면 이것은 X선, 자외선 및 가시광선보다 에너지가 낮기 때문에, 빛이 흡수되면 원자내 전자 전이 현상을 일으키지 못하고 진동방식에 해당 하는 여러가지 진동운동을 일으킨다. 이러한 분자의 진동운동에 의해 중간 적외선 영역에서는 특성적 흡수 스펙트럼(Absorption spectrum) 이 나타나는데, 이것을 분자 진동 스펙트럼(Molecular vibration spec- trum) 또는 적외선 흡수 스펙트럼(Infrared absorption spectrum)이라 고 하며, 물질들이 이러한 적외선 영역 내에서 보여주는 흡수 파장대에 대한 큰 선택성을 이용하여 일부 화합물에 대한 정량적 계산을 하는 방식을 NDIR 분석법이라고 한다.

가장 간단한 비대칭 이원자 분자인 CO 가스의 진동방식은 기하학 적으로 원자 사이의 결합각이 없어 굽힘진동은 일어나지 않고 단지 신 축진동에 의한 것 한 개 뿐이며, 하나의 진동 자유도만을 가진다. 그 러므로 하나의 기본 진동수 ν

0

만을 갖는데, 진동 에너지의 양자 hν

0

를 흡수하여 진동 에너지 준위 간의 전이에 의한 적외선 흡수 스펙트럼을 나타낸다. CO 가스의 경우 두 진동 에너지 준위 간의 차이는 대략 4.2×10

^-20

J이며, 적외선을 흡수하여 한 단위 만큼의 양자수 변화가 있 다면, CO 가스의 진동양자는 hν=4.2×10

^-20

J이 되고, 흡수 파동수(σ)와

( ) ( )

20

1

34 8

4.2 10

211, 300 6.626 10 3 10

h J

m m

hc J s s

σ ν ^{− −}

−

= = × ≈

× g ×

1

1 1

211, 300 4.73 m

λ m µ

σ ⁻

= ≈ ≈

식(3.1)에서 h(=6.626ⅹ10

^-34

J∙s)는 플랑크 상수, c(=3ⅹ10

⁸

m/s)는 진공에서의 광속도이다.

(a) (b)

그림 3.3 적외선 흡수 스펙트럼

(a) CO 가스 흡수 스펙트럼, (b) 다른 가스 분자 흡수 스펙트럼

그림 3.3은 적외선 영역에서의 흡수 정도를 각 파장에 따라 측정하 여 흡수 스펙트럼을 만들 수 있는 단색화 장치(Monochrometer)를 갖 추고 있는 적외선 분광분석 계측기로 측정한 적외선 흡수 스펙트럼이

다

^[3-5]

. 그림 3.3(a)는 CO 가스에 대한 흡수 스펙트럼을 나타내며, 실

제 계측기에 의한 측정에서 CO 가스는 파동수 σ≈214,600 m

^-1

, 또는 파장 λ≈4.66µm를 전⋅후(이하 흡수 파장대역)로 강한 흡수대가 형성되

(3.1)

(3.2)

어 있음을 알 수 있으며, 식(3.1)과 식(3.2)에서 구한 값들과의 오차는 상수 값에 의한 것이다. 또한, 그림 3.3(b)는 다른 가스 분자들에 대한 흡수 스펙트럼을 나타내며, 각각의 가스 분자들은 서로 다른 특정 파장 대역에서 흡수 스펙트럼을 나타내고 있음을 알 수 있다.

문서에서 碩士學位論文 (페이지 20-24)