#4 우주 구성 원소와 스펙트럼 분석

문제 1 · OX 문제

별에서 방출된 연속 스펙트럼이 저온의 성운을 통과하면 흡수 스펙트럼이 나타난다.

정답: O

뜨거운 별에서 출발한 아주 맛있는 우주 뷔페(무지개 빛)가 우주 여행을 하다가, 배가 고픈 차가운 가스 구름(저온 기체)을 만나게 돼요. 그럼 가스들이 자기가 좋아하는 반찬(빛)만 쏙쏙 훔쳐 먹어버리죠! 그래서 지구에서 받아보면 먹힌 자리만 까맣게 텅 빈 '흡수선'이 툭툭 끊겨서 보이는데, 이게 바로 흡수 스펙트럼이 생기는 원리랍니다.

문제 2 · OX 문제

원소의 종류에 따라 스펙트럼에 나타나는 선의 위치, 개수, 간격 등은 모두 다르다.

정답: O

우주의 원소들은 사람의 손가락처럼 저마다 자신만의 완벽하고 고유한 '지문'을 가지고 있어요. 수소라는 친구의 선 모양과, 헬륨이라는 친구의 선 자리가 아예 다르게 세팅되어 있죠. 이 변하지 않는 바코드 패턴 덕분에 우리가 우주선 없이 별빛만 보고도 그 별에 어떤 원소가 숨어 있는지 탐정처럼 콕 집어 맞힐 수 있는 거랍니다.

문제 3 · OX 문제

동일한 원소라면 흡수 스펙트럼의 흡수선과 방출 스펙트럼의 방출선 위치가 일치한다.

정답: O

원소들은 아주 정직하고 일관된 미식가라서, 자기가 에너지를 흡수할 때(훔쳐 먹을 때) 찍었던 파장 자리에 에너지를 내보낼 때(토해낼 때)도 정확히 똑같은 빛을 그어요. 종이를 반으로 접었다 편 데칼코마니처럼 검은 줄이 생기는 위치와 밝은 줄이 생기는 위치는 단 1mm의 오차도 없이 항상 똑같답니다.

문제 4 · OX 문제

흡수선의 세기는 원소의 밀도에 비례하므로 선폭을 보면 질량비를 알 수 있다.

정답: O

요리를 할 때 스프 재료를 듬뿍 넣으면 국물 맛이 엄청 진해지는 것과 비슷해요! 우주 공간에 특정 가스가 빽빽하게 모여있으면(밀도가 높으면), 빛을 어마어마하게 많이 훔쳐 먹게 되어 그 결과 흡수선이 뚱뚱하고 진하게(선폭 증가) 그려진답니다. 과학자들은 이 선의 두께라는 우주 체중계를 통해 우주에 수소와 헬륨이 몇 퍼센트나 있는지 질량 비율을 계산해 냈어요.

문제 5 · OX 문제

태양의 스펙트럼에 나타나는 흡수선을 분석하면 태양 대기의 성분을 알 수 있다.

정답: O

태양의 몸뚱이 주변을 감싸고 있는 얇은 가스 이불(대기)에는 여러 기체들이 살고 있어요. 태양 중심에서 뿜어져 나온 눈부신 빛이 이 대기를 통과하면서 기체들에게 통행료(빛 에너지)를 뺏기는데, 이때 지구에 도착한 까만 선(프라운호퍼선)들을 스파이처럼 분석하면 태양 대기에 수소나 헬륨이 있는지 비밀을 다 풀 수 있게 된답니다.

문제 6 · OX 문제

태양 대기 성분 중 수소와 헬륨 외에 나트륨이나 칼슘 등의 원소는 발견되지 않는다.

정답: X

태양이 수소와 헬륨으로만 만들어진 아주 단순한 녀석인 줄 알았죠? 하지만 태양의 스펙트럼 바코드를 아주 꼼꼼히 들여다보니, 우리 주변에서 볼 수 있는 나트륨, 칼슘, 심지어 철 같은 다양한 무거운 원소들의 흔적도 분명하게 발견되었답니다! 태양은 생각보다 훨씬 복잡하고 다양한 재료로 만들어진 거대 요리예요.

문제 7 · 빈칸 채우기

별빛의 스펙트럼에 나타난 흡수선을 특정 ( )의 방출 스펙트럼과 비교하면 그 별의 대기 성분 및 우주를 구성하는 종류를 알 수 있다. (2글자)

정답: 원소

우주가 도대체 어떤 재료들로 만들어졌는지 궁금할 때, 우리는 각 재료가 가진 고유한 패턴(지문)을 서로 겹쳐서 대조해 봐요. 물질을 이루는 가장 기본이 되는 이 재료 하나하나를 부르는 이름이 바로 정답이에요. 이 친구들의 종류에 따라 선의 모양이 다 달라지기 때문이죠.

문제 8 · 빈칸 채우기

태양의 스펙트럼에는 수많은 흡수선이 나타나는데 이를 분석하면 대기에 ( ), 헬륨, 나트륨 등 다양한 원소가 있음을 알 수 있다. (2글자)

정답: 수소

우주에서 가장 흔하고 가벼우며 주기율표 1번을 차지하는 이 원소는 태양의 주성분이자 우주 전체의 75%를 차지하는 엄청난 친구예요. 태양의 빛 속에는 이 친구의 지문이 아주 선명하게 찍혀 있어서 태양의 정체를 밝히는 데 1등 공신이 되었답니다.

문제 9 · 빈칸 채우기

동일한 원소의 경우, 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼에서 선이 나타나는 ( )는 항상 같다. (2글자)

정답: 위치

원소마다 자기가 반응하고 좋아하는 특정한 색깔의 자리(파장대)가 칼같이 정해져 있어요. 그래서 지나가는 에너지를 삥 뜯어서 검은 줄을 만들 때나, 앗 뜨거워 하고 에너지를 뿜어내서 밝은 줄을 만들 때나 항상 스케치북 위의 같은 지점에 선이 그려진답니다.

문제 10 · 빈칸 채우기

기체가 특정 ( )의 빛을 흡수하여 흡수 스펙트럼으로 나타나므로 선의 정보를 비교하면 원소의 종류를 알 수 있다. (2글자)

정답: 파장

빛은 색깔에 따라 각기 다른 파도 길이를 가지고 있는데, 과학에서는 이걸 이 이름으로 불러요. 원소들은 아무 빛이나 막 먹는 게 아니라, 자기가 좋아하는 특정 길이의 빛만 쏙쏙 선택해서 먹는 고급 입맛을 가지고 있죠. 그래서 특정 자리만 까맣게 이빨이 빠지는 거랍니다.

문제 11 · 빈칸 채우기

별에서 방출된 연속 스펙트럼이 별의 대기나 ( )의 성운 등을 통과하면 기체가 특정 파장의 빛을 흡수한다. (2글자)

정답: 저온

기체가 남의 빛을 뺏어 먹고 흡수하려면, 기본적으로 배가 고파서 덜덜 떨고 있는 상태, 즉 주변 광원보다 온도가 낮아서 에너지가 부족한 상태여야 해요. 이 차갑고 서늘한 환경이 갖춰져야만 비로소 빛을 훔쳐 먹는 흡수 스펙트럼이 만들어진답니다.

문제 12 · 빈칸 채우기

원소의 종류에 따라 선의 위치, 개수 외에도 선들 사이의 ( )이/가 다르게 나타나 원소를 식별하는 기준이 된다. (2글자)

정답: 간격

선들이 얼마나 촘촘하게 옹기종기 모여 있는지, 아니면 널찍하게 떨어져 있는지 그 사이의 거리를 잘 보세요! 선의 위치나 띠의 개수가 비슷해 보여도, 이 층간 벌어진 정도(간격) 역시 원소마다 완벽하게 고유하기 때문에 원소를 구분하는 아주 날카로운 기준이 된답니다.

문제 13 · 단답형

고온의 별이나 백열전구에서 나오는 빛처럼 모든 파장의 빛이 끊어짐 없이 색의 띠로 나타나는 스펙트럼을 무엇이라고 하는가? (2글자)

정답: 연속

빨주노초파남보가 중간에 빈틈이나 끊김 없이 꽉 들어찬, 가장 완벽하고 예쁜 무지개 상태를 말해요. 아무런 방해꾼(차가운 기체)을 만나지 않고 무사히 지구로 날아온 순수한 빛은 이렇게 모든 색을 이어지게 다 품고 있답니다.

문제 14 · 단답형

연속 스펙트럼을 배경으로 하여 특정 부분에 검은색 선이 나타나는 형태의 스펙트럼 명칭을 쓰시오. (2글자)

정답: 흡수

화려한 무지개 무대 위에 누군가 시커먼 페인트로 줄을 툭툭 그어놓은 것 같은 모습이에요. 빛이 지구로 오는 중간에 굶주린 기체들이 자기가 좋아하는 빛만 가로채서 사라졌기 때문에 생기는 현상이죠. 이름 그대로 에너지가 기체에게 먹혀서(흡수되어서) 생긴 자국이랍니다.

문제 15 · 단답형

에너지를 얻은 기체가 ( ) 상태가 되었을 때, 스스로 에너지를 내놓으며 밝은 선의 방출 스펙트럼을 만든다. (2글자)

정답: 고온

기체가 에너지를 잔뜩 받아서 펄펄 끓을 정도로 뜨거워지면, 몸을 주체하지 못하고 가지고 있던 에너지를 빛의 형태로 우주로 팍팍 뿜어내요! "앗 뜨거워! 나 에너지 너무 많아!" 라고 외치며 빛을 내놓는 거라서 온도가 아주 높은 상태가 되어야만 예쁜 레이저 같은 방출선을 만든답니다.

문제 16 · 단답형

( ) 분석을 통해 우주를 구성하는 원소의 종류와 성분을 알아낼 수 있다. (4글자)

정답: 스펙트럼

우리는 멀리 있는 안드로메다 은하에 직접 우주선을 타고 가보지 않고도, 그 별이 우주 우체국을 통해 보내온 빛을 쪼개고 나누어 들여다보면 그 속에 숨겨진 원소의 비밀과 몸무게까지 다 알아낼 수 있어요. 빛을 통해 우주의 이력서를 읽어내는 이 최고의 마법 기술을 부르는 이름이에요.

문제 17 · 단답형

에너지를 얻은 기체가 특정 파장의 빛을 내놓을 때 나타나는 밝은 색 선들의 스펙트럼 명칭은 무엇인가? (2글자)

정답: 방출

에너지가 너무 넘쳐서 주체하지 못하는 뜨거운 기체들이 빛의 야광봉을 우주 무대 밖으로 슝슝 던지는 멋진 레이저 쇼예요. 아무것도 없는 깜깜한 검은 바탕에 예쁜 색깔 네온사인 선들만 반짝거리며 나타나는데, 에너지를 밖으로 시원하게 '내보낸다'는 뜻을 가진 이 이름이 아주 직관적이죠.

문제 18 · 단답형

흡수선의 선폭을 분석하면 별이나 우주를 구성하는 원소의 무엇을 알 수 있는지 쓰시오. (3글자)

정답: 질량비

우주를 커다란 저울 위에 올려놓을 순 없지만, 스펙트럼 선의 뚱뚱한 정도(선폭)를 보면 체중계에 올린 것과 똑같은 결과를 얻을 수 있어요! 선이 굵을수록 우주에 많이 모여 살고 있다는 뜻이거든요. 이 양의 비율(3:1)을 통해 우리는 우주가 빅뱅으로 탄생했다는 비밀을 풀 수 있었답니다.

문제 19 · 보기 선택

스펙트럼 분석을 통해 알아낼 수 있는 정보로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 별의 대기를 구성하는 원소의 종류
• ㄴ. 우주를 구성하는 원소들의 질량비
• ㄷ. 별의 실제 지름과 이동하는 데 걸리는 시간

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 선의 위치와 개수라는 지문만 대조하면 우주 저 멀리 무슨 원소가 살고 있는지 이름표를 바로 달아줄 수 있어요! ㄴ. 그 선이 얼마나 굵은지 뱃살(선폭)을 측정하면 원소들이 우주에서 차지하는 무게 비율(질량비)도 척척 알아낼 수 있죠.

문제 20 · 보기 선택

원소의 스펙트럼 특징에 대한 설명 중 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 원소의 종류에 따라 선의 위치와 간격이 다르다.
• ㄴ. 원소의 밀도가 높을수록 흡수선의 선폭은 가늘어진다.
• ㄷ. 동일한 원소는 흡수선과 방출선이 나타나는 위치가 같다.

정답: ㄱ, ㄷ

ㄱ. 원소마다 에너지를 오르내리는 계단 간격이 완벽하게 달라서 선의 패턴(바코드)이 사람의 지문처럼 고유하다는 점은 스펙트럼 분석의 대원칙이에요. ㄷ. 같은 녀석이라면 빛을 훔쳐 먹는 자리나, 토해내는 자리나 입맛이 똑같아서 선 위치가 데칼코마니처럼 일치한답니다.

문제 21 · 보기 선택

태양의 스펙트럼에 대한 설명으로 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 연속 스펙트럼 위에 수많은 검은색 흡수선이 나타난다.
• ㄴ. 태양의 대기 성분을 분석하면 수소와 헬륨이 가장 많다.
• ㄷ. 태양의 스펙트럼은 고온의 기체가 스스로 빛을 낸 결과이다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 태양 중심에서 뿜어져 나온 눈부신 무지개 빛이 겉면 대기를 지나며 통행료를 뜯겨서(흡수당해서) 생긴 까만 선(프라운호퍼선)이 가득한 모습이에요. ㄴ. 선들을 맞춰보니 실제로 태양을 구성하는 가스는 가장 가벼운 기체인 수소와 헬륨이 압도적인 주인공이라는 사실을 밝혀냈답니다.

문제 22 · 보기 선택

흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼의 비교에 대한 설명 중 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 흡수 스펙트럼은 무지개 바탕에 검은색 선이 나타난다.
• ㄴ. 방출 스펙트럼은 검은색 바탕에 밝은색 선이 나타난다.
• ㄷ. 두 스펙트럼에서 선의 위치가 같다면 서로 다른 원소이다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 무지개 빛이 중간에 먹혀서 빈자리가 생겼으니 컬러풀한 바탕 위에 시커먼 그림자 줄이 생기는 게 맞아요. ㄴ. 반대로 아무것도 없는 암흑 우주에서 앗 뜨거운 기체가 스스로 빛의 네온사인을 뿜어내면 검은 바탕에 유색 선들이 생긴답니다.

문제 23 · 보기 선택

별의 대기 성분을 식별하는 과정에 대한 설명 중 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 별빛 스펙트럼에 나타난 흡수선의 위치를 파악한다.
• ㄴ. 파악한 선을 특정 원소의 방출 스펙트럼과 하나씩 대조한다.
• ㄷ. 선의 위치가 하나라도 일치하면 그 원소가 포함된 것으로 판단한다.

정답: ㄱ, ㄴ

별의 비밀을 푸는 순서! ㄱ. 우선 별이 보내온 까만 바코드 편지에서 어떤 선들이 어디에 찍혀 있는지 그 자리를 꼼꼼하게 찾아요. ㄴ. 그다음 우리가 실험실에서 미리 찍어둔 원소들의 지문(방출 스펙트럼) 스티커를 꺼내서 그 위에 하나씩 슬라이드하며 겹쳐 보는 대조 과정을 거치게 된답니다.

문제 24 · 보기 선택

스펙트럼의 선폭 분석에 대한 설명 중 옳은 것을 <보기>에서 모두 고르시오.

• ㄱ. 흡수선의 세기는 원소의 밀도에 비례하여 선폭으로 나타난다.
• ㄴ. 선폭이 가늘수록 해당 원소가 별의 대기에 더 많이 포함되어 있다.
• ㄷ. 선폭을 분석하여 우주를 구성하는 수소와 헬륨의 질량비를 알아냈다.

정답: ㄱ, ㄷ

ㄱ. 우주 공간에 기체들이 바글바글 빽빽하게 모여 있을수록(밀도가 높을수록) 지나가는 빛을 인정사정없이 가로막아서 선이 뚱뚱해지는(선폭 증가) 비례 원리는 아주 정확해요. ㄷ. 천문학자들이 이 굵기를 현미경처럼 정밀하게 잰 덕분에, 전 우주에 수소와 헬륨이 3대 1의 비율로 꽉 차 있다는 우주의 기원(빅뱅)을 밝혀낼 수 있었답니다.

문제 25 · 객관식

흡수 스펙트럼이 형성되기 위한 조건으로 가장 적절한 것은?

• ① 고온의 기체 성운이 스스로 뜨겁게 빛을 뿜어낼 때
• ② 광원의 빛이 차가운 저온의 기체를 통과할 때
• ③ 차가운 저온의 기체가 스스로 특정 파장의 빛을 뿜어낼 때
• ④ 빛이 프리즘을 통과하며 하나로 뭉쳐져 백색광이 될 때
• ⑤ 별빛이 진공 상태의 빈 우주 공간을 아무 방해 없이 통과할 때

정답: ②

흡수 스펙트럼이 만들어지려면 빛이 가는 길에 반드시 에너지가 고픈 '차가운 톨게이트 방해꾼'이 우뚝 서 있어야 해요. 광원의 뜨겁고 풍성한 뷔페 빛이 지나가다가 상대적으로 차가운 저온의 기체를 만나 에너지의 일부를 삥 뜯겼을 때(빼앗겼을 때) 비로소 무지개 바탕에 까만 그림자 선이 만들어지는 거랍니다.

문제 26 · 객관식

태양의 스펙트럼 분석 결과에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

• ① 태양 대기에는 우주에서 가장 가벼운 수소와 헬륨이 가장 많이 존재한다.
• ② 무지개색 배경에 수많은 검은색 흡수선(프라운호퍼선)이 관찰된다.
• ③ 분석 결과 수소, 헬륨 외에도 철, 칼슘, 나트륨 등 무거운 원소들이 발견되었다.
• ④ 태양의 스펙트럼은 흡수선이 전혀 없는 완벽하고 깨끗한 연속 스펙트럼이다.
• ⑤ 스펙트럼의 흡수선 위치를 분석하여 태양 대기 원소의 종류를 정확히 알아낼 수 있다.

정답: ④

태양의 스펙트럼을 고성능 분광기로 쫙 펼쳐서 보면, 깨끗한 무지개가 아니라 아주 미세하고 수많은 검은색 흡수선(이빨 빠진 자국)이 촘촘하게 긁혀 있어요. 우리는 이 선들의 바코드 패턴 덕분에 태양의 겉옷(대기)에 수소, 헬륨뿐만 아니라 산소, 나트륨, 철 같은 원소들이 잔뜩 숨어 있다는 걸 스파이처럼 밝혀낼 수 있는 거랍니다.

문제 27 · 객관식

원소마다 스펙트럼 선의 위치와 개수가 다르게 나타나는 근본적인 이유는 무엇인가?

• ① 원소마다 우주 공간에서 차지하는 전체 질량이 다르기 때문이다.
• ② 원소마다 전자가 이동할 수 있는 고유한 에너지 준위 간격이 다르기 때문이다.
• ③ 원소마다 빛을 구부러뜨리는 프리즘 굴절 각도가 모두 동일하기 때문이다.
• ④ 원소마다 원자핵이 전자를 밀어내는 척력의 크기가 같기 때문이다.
• ⑤ 분광기가 원소의 종류에 따라 빛이 도달하는 속도를 다르게 측정하기 때문이다.

정답: ②

원소들은 저마다 전자가 오르내릴 수 있는 '에너지 계단'의 높이와 간격 설계도가 완전히 달라요. 그래서 전자가 점프할 때 꿀꺽 삼키거나 뱉어내는 빛의 에너지(파장) 크기가 원소의 정체성마다 칼같이 다르게 정해져 있죠. 이 개성 넘치는 에너지 취향 덕분에 우리가 우주에 퍼져있는 수많은 원소들을 단 하나도 헷갈리지 않고 완벽하게 구별할 수 있는 거예요.

문제 28 · 객관식

다음 중 스펙트럼 분석의 장점에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

• ① 천체에 직접 가지 않고도 별을 구성하는 원소의 종류와 질량비를 알아낼 수 있다.
• ② 별이 탄생한 정확한 날짜와 시간까지 1초의 오차 없이 정밀하게 측정할 수 있다.
• ③ 망원경으로 별의 내부 구조를 입체적인 3D 영상으로 실시간 관찰할 수 있다.
• ④ 우주에 존재하는 모든 별들이 완벽하게 동일한 원소로만 이루어짐을 증명한다.
• ⑤ 별의 자전축이 기울어진 각도와 공전하는 궤도를 색깔로 직접 보여준다.

정답: ①

스펙트럼 분석의 진짜 묘미는, 인류가 우주선을 타고 수억 광년 떨어진 그 뜨거운 별에 직접 착륙해 보지 않고도, 지구 방구석에서 분광기 하나로 그 별에 어떤 원소가 살고 있는지(종류), 뚱뚱한지 홀쭉한지(질량비) 속속들이 다 알아낸다는 거예요! 별빛이 배달해 준 우주의 바코드 이력서를 해독하는 천문학 최고의 치트키랍니다.

문제 29 · 객관식

동일한 원소인 헬륨의 흡수선과 방출선을 비교했을 때 나타나는 현상은?

• ① 흡수선은 붉은색 파장에, 방출선은 푸른색 파장에 양극단으로 몰려 나타난다.
• ② 흡수선과 방출선이 나타나는 파장의 위치가 서로 완벽하게 일치한다.
• ③ 방출선의 띠 개수가 무조건 흡수선의 띠 개수보다 항상 두 배 더 많이 그려진다.
• ④ 흡수선의 배경은 깜깜한 검은색이고 방출선의 배경은 화려한 무지개색으로 나타난다.
• ⑤ 주변 기체의 온도가 변하면 헬륨의 스펙트럼 선 위치도 매일 조금씩 이동한다.

정답: ②

같은 헬륨이라는 정체성을 가진 원소라면 자기가 에너지를 주고받는 파장 위치를 절대 배신하지 않아요. 남의 에너지를 뺏어 먹어 까만 줄을 그을 때(흡수)나, 앗 뜨거워 하고 에너지를 토해내 밝은 줄을 그을 때(방출)나 무지개 도화지 위의 정확히 똑같은 자리에 줄을 긋는답니다. 이 데칼코마니 같은 일치성이야말로 과학수사대가 범인을 잡듯 원소를 식별하는 핵심 열쇠예요.

문제 30 · 객관식

스펙트럼의 선폭과 원소의 함량에 대한 설명 중 가장 옳은 것은?

• ① 원소의 밀도가 높게 뭉쳐있을수록 선폭은 점점 가늘어지고 색이 흐려진다.
• ② 흡수선의 선폭이 두껍고 넓어질수록 해당 원소가 우주에 적게 존재함을 의미한다.
• ③ 우주 배경의 온도가 변하면 원소의 실제 함량과 상관없이 선폭이 무작위로 계속 바뀐다.
• ④ 스펙트럼 선폭의 굵기를 정밀하게 측정하여 우주를 구성하는 원소의 질량비를 계산할 수 있다.
• ⑤ 선폭은 분광기 렌즈의 성능에 의해서만 결정되므로 원소의 실제 양과는 아무런 관련이 없다.

정답: ④

선이 뚱뚱하고 굵게 그려지면 우주에 그 원소가 엄청나게 많이 들어있는 것이고, 선이 홀쭉하면 조금밖에 안 들어있는 거예요! 우주 공간에 기체가 빽빽할수록 지나가는 빛을 무자비하게 많이 가로막아버리기 때문이죠. 이 간단하고 명확한 비례 원리가 바로 전 우주의 질량비(수소:헬륨=3:1)를 계산해 낸 마법의 공식이랍니다. 즉, 선의 두께(세기)가 곧 원소의 양(체중)을 대변해 줍니다.