제8권: 물질의 세계 (The World of Matter)

Chapter 1: 원자에서 물질로

1. 화학 결합의 물리학

1-3. 분자의 스펙트럼 — 분자가 빛을 흡수하고 방출하는 방법

130억 광년 떨어진 곳의 분자를 어떻게 알 수 있을까?

2024년, 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 지구에서 약 120광년 떨어진 외계행성 K2-18 b의 대기에서 놀라운 신호를 포착했다. 그 행성에 직접 가 본 사람은 아무도 없다. 심지어 행성의 표면 사진을 찍을 수도 없다 — 너무 멀기 때문이다. 그런데 과학자들은 그 행성의 대기에 이산화탄소($\text{CO}_2$)와 메테인($\text{CH}_4$)이 존재한다고 발표했다.

어떻게 이런 일이 가능한 걸까? 비밀은 빛에 있다. 더 정확하게는, 분자가 빛과 상호작용하는 방식에 있다. 모든 분자는 고유한 "지문"을 가지고 있다. 마치 사람마다 지문이 다르듯, 분자마다 빛을 흡수하는 파장의 패턴이 다르다. 이 고유한 패턴을 분자 스펙트럼(molecular spectrum)이라 한다.

멀리 있는 별빛이 행성의 대기를 통과할 때, 대기 중의 분자들이 특정 파장의 빛을 흡수한다. 우리가 그 빛을 분석해서 "어떤 파장이 빠져 있는지"를 보면, 그 행성의 대기에 어떤 분자가 있는지 알 수 있다. 우주의 끝에서 오는 빛이라도, 분자의 지문은 변하지 않는다.

그런데 여기서 놀라운 질문 하나: 원자도 빛을 흡수하고 방출하는데(제6권에서 배운 원자 스펙트럼), 분자의 스펙트럼은 원자의 스펙트럼과 무엇이 다를까? 답은 매우 흥미롭다. 분자는 원자가 할 수 없는 두 가지를 할 수 있기 때문이다 — 회전과 진동.