고등 통합과학 원소와 별의 스펙트럼 예상문제

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
별빛의 흡수 스펙트럼과 특정 원소의 방출 스펙트럼선의 위치를 비교하여 별의 대기 구성 원소를 추정하는 원리를 이해하는지 확인하는 문항이다.

{자료 분석}
태양의 흡수선 위치가 원소 A의 방출선 위치와 일치하므로, 태양 대기를 통과한 빛 중 A가 흡수하는 파장의 빛이 흡수된 것으로 볼 수 있어 태양 대기에 A가 존재함을 알 수 있다. 원소마다 고유한 스펙트럼선(지문과 같은 역할)을 가지므로 이를 비교하여 별의 구성 원소를 알아낼 수 있다.

{정답 찾기}
ㄱ. 흡수선과 방출선의 위치가 일치하는 A는 태양 대기에 존재한다. (O)
ㄴ. 원소 고유의 스펙트럼선으로 별의 구성 원소를 분석할 수 있다. (O)
ㄷ. B의 방출선과 일치하는 흡수선이 관측되지 않았다고 해서 B가 존재하지 않는다고 단정할 수는 없다(존재량이 적거나 관측 조건에 따라 선이 약하게 나타날 수 있음). (X)

{오답 피하기}
스펙트럼선이 관측되지 않은 것을 곧바로 '원소가 없다'는 확정적 결론으로 연결하지 않도록 주의한다.

[최종 정답]
정답은 5번 「ㄱ, ㄴ」이다.

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
연속 스펙트럼, 방출선 스펙트럼, 흡수선 스펙트럼의 특징과 생성 원리를 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
(가)는 고온의 고체(백열등 필라멘트)에서 나온 빛으로 모든 파장의 빛이 연속적으로 나타나는 연속 스펙트럼이다. (나)는 저온 저밀도 기체가 스스로 빛을 방출할 때 특정 파장에서만 밝은 선이 나타나는 방출(선) 스펙트럼이다. (다)는 연속 스펙트럼을 내는 광원의 빛이 저온의 기체를 통과하면서 그 기체를 이루는 원소가 흡수하는 특정 파장의 빛이 어두운 선으로 나타나는 흡수(선) 스펙트럼이다.
{정답 찾기}
ㄱ. (가)는 모든 파장의 빛이 연속적으로 나타나므로 연속 스펙트럼이다. (O)
ㄴ. (나)는 특정 파장에서만 밝은 선이 나타나므로 방출(선) 스펙트럼이다. (O)
ㄷ. 흡수선의 위치(파장)는 그 기체를 이루는 원소의 종류에 따라 다르게 나타난다. 각 원소는 고유한 전자 배치를 가지므로 흡수하는 빛의 파장이 원소마다 다르다. (X)
{오답 피하기}
방출 스펙트럼에서 밝은 선이 나타나는 위치와 흡수 스펙트럼에서 어두운 선이 나타나는 위치는 같은 원소라면 서로 일치한다는 점도 함께 기억해 두자.

[최종 정답]
정답은 1번 「ㄱ, ㄴ」이다.

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
별빛의 스펙트럼에 나타나는 흡수선을 이용해 별을 구성하는 원소를 알아내는 원리를 이해하는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
태양 내부(광구)에서 나온 고온의 빛이 연속 스펙트럼을 만들고, 이 빛이 태양 대기의 상대적으로 온도가 낮은 기체를 통과하면서 특정 파장의 빛이 흡수되어 검은 흡수선이 나타난다. 각 원소는 고유한 파장의 빛을 흡수하므로 흡수선의 위치로 원소의 종류를 알 수 있다.
{정답 찾기}
① 흡수선은 방출이 아니라 저온 대기 기체에 의한 흡수로 생긴다. (X)
② 흡수선의 위치(파장)로 태양 대기를 이루는 원소의 종류를 알아낼 수 있다. (O)
③ 원소마다 흡수하는 파장이 다르므로 원소에 따라 흡수선의 위치가 다르다. (X)
④ 흡수선은 표면 온도가 낮을 때만이 아니라 저온 대기층이 존재할 때 나타난다. (X)
⑤ 연속 스펙트럼은 고온의 광구에서 나온다. (X)
정답은 ②이다.

[최종 정답]
정답은 2번 「이 흡수선의 위치를 분석하면 태양 대기에 존재하는 원소의 종류를 알아낼 수 있다.」이다.

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
이 문항은 별빛의 스펙트럼 중 흡수 스펙트럼이 생성되는 원리와 이를 이용하여 별을 구성하는 원소의 종류를 알아내는 원리를 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
고온의 광구에서 나온 연속 스펙트럼의 빛이 상대적으로 온도가 낮은 대기를 통과하면서 특정 원소가 자신의 고유 파장의 빛을 흡수하여 검은 선(흡수선)이 나타난다. 각 원소는 고유한 파장에서 빛을 흡수하거나 방출하므로, 흡수선의 파장을 분석하면 그 원소를 알아낼 수 있다.
{정답 찾기}
① 흡수선은 원소가 빛을 방출해서가 아니라 흡수해서 나타난다. (X)
② 특정 원소가 흡수하는 파장은 그 원소가 방출하는 파장과 같으므로, 지구 실험실에서 측정한 방출선 파장과 태양의 흡수선 파장이 일치할 수 있다. (O)
③ 흡수선의 위치(파장)는 원소마다 고유하므로 이를 통해 원소의 종류를 알아낼 수 있다. (X)
④ 별마다 표면 온도와 구성 성분이 달라 흡수선 패턴이 서로 다르게 나타난다. (X)
⑤ 연속 스펙트럼은 고온의 고체, 액체 또는 매우 밀도가 높은 기체에서 나타난다. (X)
{오답 피하기}
방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼에서 같은 원소는 같은 파장 위치에 선이 나타난다는 점(방출선의 파장 = 흡수선의 파장)을 기억해 둔다.

[최종 정답]
정답은 2번 「태양의 흡수선의 파장은 지구 실험실에서 측정한 해당 원소의 방출선 파장과 일치할 수 있다.」이다.

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
연속 스펙트럼에 나타나는 흡수선과 특정 원소의 방출선 스펙트럼을 비교하여 별을 구성하는 원소를 알아내는 원리를 이해하는 문항이다.
{자료 분석}
태양의 스펙트럼에는 태양 대기를 이루는 원소들이 특정 파장의 빛을 흡수하여 나타나는 검은 흡수선이 나타난다. 원소 X의 방출 스펙트럼에서 나타나는 선의 위치가 태양의 흡수선 위치와 일치한다는 것은 태양 대기에 원소 X가 존재함을 의미한다.
{정답 찾기}
ㄱ. 방출선과 흡수선의 위치가 일치하므로 태양의 대기에는 원소 X가 존재한다. (O)
ㄴ. 같은 원소는 같은 에너지 준위 사이의 전이에 의해 흡수와 방출이 일어나므로, 원소 X의 흡수선과 방출선은 같은 파장에서 나타난다. (O)
ㄷ. 이처럼 스펙트럼선의 위치를 비교하면 별의 대기를 이루는 원소의 종류를 알아낼 수 있다. (O)
{오답 피하기}
원소마다 고유한 스펙트럼선 무늬(선의 위치)를 가지므로 이를 '원소의 지문'이라고도 부른다. 별빛의 흡수 스펙트럼을 분석하여 별의 대기 성분을 알아내는 것이 분광 분석의 핵심 원리이다.

[최종 정답]
정답은 5번 「ㄱ, ㄴ, ㄷ」이다.

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
태양의 흡수 스펙트럼이 생성되는 원리를 이해하는 문항이다.
{자료 분석}
태양 내부는 고온·고밀도 상태로 연속 스펙트럼에 해당하는 빛을 방출하고, 이 빛이 태양 대기(광구 바깥의 비교적 저온·저밀도 기체층)를 통과하면서 대기를 구성하는 원소들이 특정 파장의 빛을 흡수하여 검은 선(흡수선)이 나타난다.
{정답 찾기}
① 옳은 설명이다.(O)
② 검은 선의 위치는 빛을 흡수한 원소의 종류에 따라 고유하게 결정되므로 옳지 않다.(X)
③ 검은 선이 나타나므로 흡수 스펙트럼이지 선(방출) 스펙트럼이 아니다.(X)
④ 검은 선은 태양 대기를 이루는 기체 원소가 존재하기 때문에 나타나는 것으로 온도와 직접적인 관련은 아니다.(X)
⑤ 방출 스펙트럼은 저온·저밀도 기체가 스스로 빛을 낼 때 나타나는 밝은 선이며, 흡수 스펙트럼과는 원리가 다르다.(X)

[최종 정답]
정답은 1번 「태양 내부에서 방출된 연속 스펙트럼에 태양 대기의 원소들이 특정 파장의 빛을 흡수하여 검은 선이 나타난다.」이다.

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
원소마다 고유한 선 스펙트럼을 가진다는 사실과, 별빛의 흡수 스펙트럼을 이용해 별을 구성하는 원소를 추정하는 원리를 이해하는지 평가한다.
{자료 분석}
별빛이 별의 대기를 통과하면서 대기를 구성하는 원소가 각 원소 고유의 파장의 빛을 흡수하여 연속 스펙트럼에 검은 흡수선이 나타난다. 이 흡수선의 위치가 특정 원소의 방출선 위치와 일치하면, 그 원소가 별의 대기에 존재함을 알 수 있다.
{정답 찾기}
ㄱ. 흡수선은 대기 원소의 빛 흡수로 생긴다. (O)
ㄴ. 흡수선 위치와 원소 X의 방출선 위치가 일치하므로 원소 X가 존재할 가능성이 높다. (O)
ㄷ. 원소마다 스펙트럼 선의 위치(파장)가 고유하게 다르므로 스펙트럼으로 원소를 구별할 수 있다. 따라서 옳지 않다. (X)
{오답 피하기}
원소의 종류에 따라 선 스펙트럼의 위치(파장)가 다르다는 것이 스펙트럼 분석의 핵심 원리이다.

[최종 정답]
정답은 3번 「ㄱ, ㄴ」이다.

원소와 별의 스펙트럼
{유형 분석}
별의 흡수 스펙트럼에 나타난 흡수선의 위치를 원소의 방출 스펙트럼과 비교하여 별을 구성하는 원소를 알아내는 방법을 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
별빛의 스펙트럼에서 나타난 흡수선의 위치(60, 150, 250)는 수소의 방출선 위치(60, 250) 및 나트륨의 방출선 위치(150)와 각각 일치한다. 이는 별의 대기를 이루는 기체가 각각 수소, 나트륨이며 이 기체들이 별 내부에서 나오는 연속스펙트럼 빛 중 특정 파장을 흡수하여 검은 흡수선으로 나타난 것임을 의미한다.
{정답 찾기}
ㄱ. 흡수선 위치가 H, Na의 방출선 위치와 일치하므로 별의 대기에 수소와 나트륨이 모두 존재함을 알 수 있다. (O)
ㄴ. 흡수 스펙트럼은 고온의 별 내부에서 나온 연속스펙트럼 빛이 저온의 대기를 통과하면서 특정 파장이 흡수되어 나타나므로 옳다. (O)
ㄷ. 그림에서 세 개의 검은 흡수선이 나타나 있으므로 이 별의 스펙트럼은 흡수 스펙트럼이며, 흡수선이 없는 연속 스펙트럼이 아니다. (X)
{오답 피하기}
방출 스펙트럼의 밝은 선과 흡수 스펙트럼의 어두운 선이 같은 파장에서 나타난다는 키르히호프의 법칙을 이해하면 원소 확인 원리를 쉽게 파악할 수 있다.

[최종 정답]
정답은 1번 「ㄱ, ㄴ」이다.