A. 스펙트럼

1. 스펙트럼

스펙트럼: 빛이 분광기를 통과할 때 파장에 따라 나누어져 나타나는 색의 띠

① 스펙트럼의 종류: 스펙트럼에는 연속 스펙트럼, 흡수 스펙트럼, 방출 스펙트럼이 있다.
➡ 물질을 구성하는 원자가 외부로부터 에너지를 받거나 외부로 에너지를 잃을 때 특정한 파장의 빛이 흡수되거나 방출되어 고유한 스펙트럼이 나타난다.

종류	설명	예시
연속 스펙트럼	고온의 광원에서 나오는 빛의 스펙트럼으로, 연속적인 색의 띠가 나타난다.	백열전구에서 방출되는 빛, 고온의 별 표면에서 방출되는 빛
방출 스펙트럼	검은 바탕에 여러 개의 밝은 방출선이 나타나는 스펙트럼으로, 고온의 기체를 구성하는 원소가 특정한 파장의 빛을 방출할 때 나타난다.	별 주위에 있는 고온의 성운에서 방출하는 빛, 어떤 원소의 기체가 높은 온도에서 방출하는 빛
흡수 스펙트럼	연속 스펙트럼에서 검은색의 흡수선이 나타나는 스펙트럼으로, 고온의 별에서 방출된 빛이 저온의 기체를 통과할 때 기체가 특정한 파장의 빛을 흡수하여 나타난다.	별의 대기를 통과한 별빛, 저온의 성운을 통과한 별빛

② 방출 스펙트럼과 같은 원리의 예: 나트륨 전등, 불꽃놀이, 오로라 등은 포함된 원소의 종류에 따라 다른 색으로 나타난다.

2. 원소의 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼

원소마다 스펙트럼에 나타나는 흡수선과 방출선의 위치(파장)가 다르다.

구분	수소(H)	탄소(C)
흡수 스펙트럼	특정 파장에서 검은색 흡수선 나타남	수소와 다른 위치에서 흡수선 나타남
방출 스펙트럼	흡수선과 같은 위치에서 방출선 나타남	흡수선과 같은 위치에서 방출선 나타남

• 동일한 원소: 흡수선과 방출선의 위치(파장)가 같다.
• 서로 다른 원소: 수소와 탄소의 흡수선과 방출선의 위치가 서로 다르다.

B. 우주의 원소 분포

1. 별빛의 스펙트럼 분석

구성 원소의 종류와 원소의 질량비를 알 수 있다.

① 원소의 종류: 별빛의 스펙트럼을 원소의 스펙트럼과 비교하여 알아낸다.
➡ 원소의 종류에 따라 스펙트럼에 나타나는 선의 위치(파장), 개수, 굵기 등이 다르고, 동일한 원소의 스펙트럼에서 흡수선과 방출선의 위치(파장)가 같기 때문이다.

② 원소의 질량비: 흡수선의 세기(선폭)를 비교하면 원소의 질량비를 알 수 있다.
➡ 원소의 밀도가 클수록 별빛 스펙트럼에서 흡수선의 세기가 강하게 나타나기 때문이다.

2. 태양의 스펙트럼 분석

과학자들은 태양의 스펙트럼에 나타나는 수백 개의 흡수선(프라운호퍼 선)을 분석하여 태양의 대기가 수소, 헬륨, 칼슘 등 다양한 원소로 구성되어 있음을 알아냈다.

3. 우주의 원소 분포

우주를 구성하는 원소의 대부분은 수소, 헬륨이다.

① 우주의 구성 원소 알아내는 방법: 우주를 구성하고 있는 여러 천체들의 스펙트럼을 분석한다.
➡ 스펙트럼에 나타난 흡수선이 수소와 헬륨의 방출선 위치와 일치하는 것을 통해 우주를 구성하는 원소가 수소, 헬륨임을
알아냈다.

② 우주를 구성하는 수소와 헬륨의 질량비: 수소와 헬륨의 질량비가 약 3：1이다.
➡ 흡수 스펙트럼에 나타난 흡수선의 세기(선폭)를 분석한 결과, 우주는 수소가 약 74 %, 헬륨이 약 24 %로 이루어져 있다.

구성 원소	질량 비율	특징
수소(H)	약 74 %	우주 초기 빅뱅 이후 생성. 별을 구성하는 주요 원소
헬륨(He)	약 24 %	우주 초기 빅뱅 이후 생성. 별을 구성하는 주요 원소
기타 원소	약 2 %	별의 진화 과정에서 생성된 무거운 원소들

C. 빅뱅 우주론

1. 빅뱅(대폭발) 우주론

① 우주의 온도와 밀도 변화: 빅뱅 이후 우주가 팽창하면서 우주의 온도는 계속 낮아졌고, 밀도는 점차 감소하였다.
② 우주의 질량 변화: 우주 전체의 질량은 일정하다.

2. 빅뱅 우주론의 정립

여러 증거들이 관측됨에 따라 빅뱅 우주론이 인정받고 있다.
증거 ① : 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비(약 3：1) — 빅뱅 우주론에서 예측한 값과 실제 관측한 값이 같다.
증거 ② : 우주 배경 복사 — 빅뱅 후 약 38만 년에 생성된 빛으로, 우주의 모든 방향에서 거의 같은 세기로 관측된다.
증거 ③ : 허블의 관측(1929년) — 멀리 있는 외부 은하일수록 더 빠른 속도로 멀어진다는 것을 발견 → 우주의 팽창 증거

D. 우주 초기 원소의 생성

1. 물질을 구성하는 입자

모든 물질은 원자로 이루어져 있고, 원자는 원자핵과 전자로, 원자핵은 양성자와 중성자로, 양성자와 중성자는 더 이상 분해되지 않는 기본 입자 중 하나인 쿼크로 이루어져 있다.

입자	구성	전하	특징
쿼크	기본 입자	위: +2/3, 아래: -1/3	더 이상 분해되지 않는 가장 작은 입자. 양성자와 중성자는 각각 3개의 쿼크로 구성
양성자	위 쿼크 2 + 아래 쿼크 1	+(양전하)	수소 원자핵 그 자체. (+2/3)×2+(-1/3)=+1
중성자	위 쿼크 1 + 아래 쿼크 2	0(중성)	(+2/3)+(-1/3)×2=0
전자	기본 입자	-(음전하)	더 이상 분해되지 않는 기본 입자. 전자 수=양성자수 → 원자는 전기적으로 중성

• 쿼크: 위(up), 아래(down), 맵시(charm), 낯선(strange), 꼭대기(top), 바닥(bottom)
• 경입자: 전자, 전자 중성미자 등

2. 빅뱅과 입자의 생성

▶ 빅뱅 이후 입자의 생성 순서

단계	시기	내용
① 빅뱅	약 138억 년 전	매우 뜨겁고 밀도가 높은 한 점에서 빅뱅이 일어나 우주가 탄생. 빅뱅 직후에는 우주의 온도가 매우 높아 입자가 존재할 수 없었다.
② 기본 입자 생성	빅뱅 직후	우주가 급격히 팽창하면서 온도가 낮아지고, 최초로 쿼크, 전자 등의 기본 입자가 무수히 많이 만들어졌다.
③ 양성자·중성자 생성	빅뱅 직후	우주의 온도가 더 낮아지면서 쿼크 3개가 결합하여 양성자와 중성자가 만들어졌다. 양성자는 그 자체로 수소 원자핵이 되었다.
④ 헬륨 원자핵 생성	빅뱅 후 약 3분	우주의 온도가 10억 K 이하로 낮아져 양성자 2개와 중성자 2개가 결합하여 헬륨 원자핵이 만들어졌다. 수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 질량비 ≈ 3：1
⑤ 원자 생성	빅뱅 후 약 38만 년	우주의 온도가 3000 K 정도로 낮아지면서 전자가 원자핵과 결합하여 중성인 수소 원자와 헬륨 원자가 만들어졌다. 우주가 투명해지고 우주 배경 복사가 생성되었다.

▶ 헬륨 원자핵의 생성 과정 (확대경)
• 헬륨 원자핵 생성 직전: 양성자와 중성자의 개수비 ≈ 7：1
• 헬륨 원자핵 생성 후: [개수비] 수소 원자핵：헬륨 원자핵 = 약 12：1

3. 우주 초기 원소의 생성 이후 우주 변화

수소와 헬륨은 빅뱅 이후 수억 년이 지나는 동안 중력에 의해 모여 별과 은하를 형성하였고, 이후 별의 진화 과정을 거쳐 지구와 생명체를 구성하는 물질을 이루는 다양한 원소들(산소, 규소, 철, 탄소, 질소 등)이 만들어졌다.

▶ 원자의 생성에 따른 우주의 변화

• 원자 생성 이전: 우주의 온도가 높아 전자가 원자핵에 붙잡히지 않고 서로 분리되어 있었다. 전기를 띤 입자는 빛의 진로를 방해하여 빛이 산란되었다. → 우주는 불투명한 상태였다.

• 원자 생성 이후: 우주의 온도가 낮아지면서 전자의 운동 에너지가 감소하여 전자가 원자핵에 붙잡혀 원자가 생성되었다. 중성인 원자는 빛의 진로를 방해하지 않아 빛이 우주 공간으로 퍼져 나갔다. → 우주가 투명해졌다. (= 우주 배경 복사 생성)