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광학분광학의 원리와 응용

일반 원리

다른 전자기파와 마찬가지로 빛은 파동의 성질을 지니고 있기 때문에 색깔보다는 파장으로 더 정확히 설명할 수 있다. 한편 전자기파를 파장보다는 진동수로 상술하는 것이 편리할 때도 있다. 진공 속에서의 빛의 속도를 c라고 하면 이들 파장(λ)과 진동수(ｖ) 사이에는 ｖλ=c라는 관계가 성립한다.

고립된 원자는 에너지 상태 또는 정상 상태라 하는 이산 상태에서만 안정한 구조를 가질 수 있다. 보통의 경우 원자는 가능한 한 낮은 에너지를 갖는 바닥 상태에 있다. 원자마다 허용된 값만큼의 에너지만 받아들일 수 있으며, 에너지가 주어지면 원자는 들뜬 상태가 된다. 원자 이외에 분자·이온·원자핵·소립자 등도 불연속 에너지 준위를 갖는다. 들뜬 상태에 있는 원자는 에너지를 방출하여 바닥 상태가 되며, 이 에너지는 종종 전자기파의 형태로 방출된다. 만약 두 상태의 에너지 차이를 안다면 E=hｖ(h는 플랑크 상수)라는 관계식으로부터 이때 방출되는 빛의 진동수 및 파장을 알 수 있으며, 역으로 방출되는 빛의 진동수와 파장을 안다면 두 상태의 에너지 차를 알 수 있게 된다. 특정 파장의 빛을 프리즘을 통해 보면 가느다란 선으로 나타나는데, 방출되는 빛의 파장에 따라 나타나는 이 불연속선을 스펙트럼선이라 한다.

역사적으로 보면 1859년 독일의 물리학자 구스타프 키르히호프가 각각의 원자마다 독특한 스펙트럼을 갖는다는 것을 주장함으로써 분광학 연구와 분석 분광학의 기초를 닦았고, 프라운호퍼·월러스톤·분젠·허셜·리터 등이 스펙트럼 현상을 관찰하고 이에 대해 연구했다. 1885년 발머는 수소의 스펙트럼을 확인했으며, 1897년 톰슨은 전자를 발견했다. 1900년 플랑크에 의해 양자이론이 시작되었으며, 그후 1911년 러더퍼드가 원자구조를 제안했다. 1913년 보어는 이들 불연속 에너지 상태를 이론적으로 계산했다. 슈뢰딩거와 하이젠베르크에 의해 발전되고, 파울리와 디랙 및 다른 여러 사람들에 의해 더욱 확장된 양자역학으로 오늘날에는 원자나 이온, 간단한 분자의 에너지 상태와 그들에 의해 방출되는 스펙트럼선을 계산할 수 있게 되었다.

분광학은 화학과 물리학에서 원자와 분자의 구조를 연구하는 도구로 이용되며 미지시료의 분석, 레이저, 형광등, 도량형학, 범죄학, 고고학, 의학, 농학, 생명과학, 공학 등에도 쓰인다.

실제 응용

스펙트럼을 만들고 분석하는 데는 ① 빛이나 전자기파를 공급하는 광원, ② 각기 다른 파장을 서로 다르게 전달시키는 분산계, ③ 분산 후 빛을 감지하는 검출기, ④ 스펙트럼 기록장치 등 4가지가 필요하다. 전자기 스펙트럼은 크게 방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼의 2가지로 나눌 수 있다. 원자나 다른 입자들이 어떤 방식으로든 높은 에너지 준위로 들뜬 상태가 되면, 낮은 에너지 상태로 바뀌면서 에너지(특징 스펙트럼을 만드는 빛)를 방출한다. 원자를 들뜬 상태로 만드는 데에는 높은 에너지를 가진 전자와 충돌시키거나, 전자기파를 원자가 흡수하게 하는 방법 등이 있다.

전구의 필라멘트 같은 백열고체에는 원자들이 조밀하게 분포되어 있기 때문에 각각의 에너지 준위는 서로 중첩하여 불연속이 아닌 연속 스펙트럼을 형성한다. 복사파가 관찰자에게 도달하기 전에 통과하는 매질 속에 있는 증기들 때문에 일부 파장이 사라지기도 한다. 또한 도플러 효과로 인해 스팩트럼선의 폭이 넓어지는 도플러 선폭증가(Doppler broadening)가 생긴다. 스펙트럼을 파장별로 분리시키기 위해서는 굴절·회절·간섭의 3가지 방법을 사용한다. 빛이 서로 다른 매질 사이를 통과하면 그 진행 방향이 꺾이는데, 이때 색깔이 다른 빛은 꺾이는 각도가 다르다. 그림1은 굴절률이 n₁인 매질 속에 있는 굴절률 n₂인 프리즘에 의해서 빛이 굴절된 것을 나타낸다. 이 원리를 이용하여 프리즘을 써서 빛을 파장별로 분리한다.

평행하게 나가던 빛이 진행하다가 벽에 부딪히면 모든 방향으로 진행하게 되는데 이를 회절이라 한다. 이 원리를 이용하여 여러 파장으로 이루어진 빛을 각이 고정된 회절격자에 닿게 하면 파장이 다른 빛들은 약간씩 다른 방향으로 회절하므로 각각을 관찰할 수 있다. 3번째 방법은 간섭계를 이용하는 것으로 이는 빛을 반투명의 간섭계로 나누어 각기 다른 경로로 진행시킨 후 이를 한 점에서 만나도록 하는 것이다.

분광법에서 쓰이는 검출기는 사진건판이나 사진 필름, 광전 다이오드, 광전증배관 등의 광전자 검출기, 볼로미터, 열전기쌍, 골레이 전지 등의 복사계, 광전도와 광기전력 전지 등의 반도체들이 있다. 감광용 검출기의 경우는 나오는 스펙트럼이 바로 기록되지만 다른 검출기를 사용할 때는 검출기에서 나오는 전류나 전압을 증폭시켜 다른 보조출력 장치로 스펙트럼을 관찰한다. 나중에 컴퓨터 조작을 하기 위해 이 증폭된 신호를 숫자화시켜 천공 카드 같은 것에 보관하기도 한다.

원자 스펙트럼의 기초

개요

약 2×10^─10m의 지름을 갖는 원자는 원자질량의 대부분을 차지하는 원자핵과 이를 둘러싸고 있는 전자들로 이루어져 있으며, 원자나 이온의 화학적·분광학적 성질은 이들 전자 구조에 의해 주로 결정된다. 그러나 파울리의 배타원리나 하이젠베르크의 불확정성의 원리 등에 의하면 실제로 전자는 전자구름을 이루며, 전자밀도는 그곳에서 전자를 발견할 확률에 비례한다. 대체로 전자는 서로 독립적으로 움직이므로 전자들간의 상호작용에 의한 효과를 고려하지 않고 전자의 특성을 계산하는 것이 가능하다.

수소원자상태

수소원자는 양성자 하나와 전자 하나로 이루어져 있다. 보어의 계산에 의하면 수소 또는 유사 수소원자의 에너지는 －Z²hcR/n₂(Z는 원자번호, R는 리드버그 상수)로 주어지며, 이때 n을 주양자수라 한다. 이 계산에 의하면 수소의 바닥 상태 에너지는 －13.6eV(전자 볼트)가 된다. 여기서 에너지가 음의 값을 갖는 것은 전자가 원자핵에 속박되어 있음을 나타낸다. 주양자수 외에도 궤도양자수, 자기양자수, 스핀 양자수 등이 있는데, 궤도양자수(l)는 전자의 방향성과 관계되며 0에서부터 n－1까지의 정수값을 갖는다. 자기장을 걸어주면 전자의 분포가 기울어지게 되는데 이때의 방향도 일정한 방향만 가능하며, 이와 관련된 것이 자기양자수(m_l)로 m_l은 －l에서부터 l까지의 정수값을 갖는다. 스핀 양자수(m_s)는 전자의 스핀에 의해 생기며, ＋1/2 또는 -1/2의 값을 갖는다.

이러한 4가지 양자수(n,l,m_e, m_s)로서 한 전자의 상태를 정확히 설명할 수 있게 된다. 그러나 전자의 자기 모멘트와 전자의 운동에 의해 생기는 자기장의 상호작용에 의해 n에만 의존하는 에너지가 약간 변화된다. 이에 의해 궤도 각운동량 양자수(l)와 스핀 각운동량 양자수(s)를 합쳐 새로운 양자수인 j(내부 양자수)를 정의하게 되며 j는 l＋s와 l－s 중에서 양의 정수값만을 갖는다. j의 특정방향 성분인 mj는 ＋j에서부터 －j까지의 정수값을 가지며, 수소원자를 기술하는 데 n, m, m_j, m_s 대신 n, l, j, m_j를 사용하기도 한다.

주기율표

파울리의 배타원리에 의하면 한 원자 내에서 어떠한 두 전자도 4가지 양자수가 완전히 같을 수는 없다. 이를 바탕으로 가능한 한 낮은 에너지를 갖는 빈 궤도함수부터 전자를 하나씩 채우면 각 원자의 바닥 상태의 전자배열을 알 수 있게 된다. 표2는 원소의 바닥 상태에서의 전자배열을 나타낸 것이다. 원자나 이온의 전자배열을 간단히 표현하기 위하여 l=0, 1, 2, 3, 4, 5……를 s, p, d, f, g, h…… 등으로 간단히 나타낸다.

3주기까지의 원자는 러셀-손더스 결합방식 또는 정상결합(LS결합)으로 설명할 수 있다. 이는 궤도 각운동량의 총합(L)과 스핀 각운동량의 총합(S)으로 원자의 에너지 준위를 결정하는 것으로 각 상태를 ^2s＋1L_J로 표현한다. L=0, 1, 2……일 때를 각각 S, P, D…… 등으로 나타낸다. 예를 들어 S=1, L=2, J=1인 상태는 ³D₁으로 표시한다. 이 LS결합은 가벼운 원자에만 적용되므로 이보다 무거운 원자는 j-j결합으로 설명한다.

전이

들뜬 상태에 있는 원자나 이온은 광자를 방출하고 바닥 상태가 된다. 그러나 한 원자 내에서 모든 전이가 가능한 것은 아니며, 이론적·경험적 선택률에 의해 일어날 수 있는 전이의 종류가 제한되어 있음을 알 수 있다. 이 선택률은 대칭성에 의한 것, 양자수의 변화규칙에 관련된 것 등이 있다. 이들 선택률은 정확한 것이 아니기 때문에 종종 선택률이 깨져 금지된 전이가 일어나기도 하지만 이에 의해 생기는 스펙트럼선은 상대적으로 약하다.

에너지 준위의 섭동

전자의 에너지 준위는 외부의 자기장이나 전기장에 의해 영향을 받는다. 이 경우 자기장에 의한 것을 제만 효과, 강한 전기장에 의한 것을 스타르크 효과라고 한다. 이외에도 원자핵에 의한 효과도 있다.

분자 스펙트럼 이론과 응용

분자 스펙트럼 이론

분자는 둘 이상의 원자를 가지고 있어 원자핵들과 이들을 둘러싸고 있는 전자구름으로 구성되어 있다.

분자의 에너지는 전자 에너지(전자의 운동 에너지, 위치 에너지 및 핵의 상호 반발에 의한 위치 에너지), 분자의 진동 에너지, 회전 에너지, 병진 에너지 등이 있다. 이를 크기순으로 보면 안쪽 전자의 전자 에너지가 가장 크고 바깥쪽 전자의 전자 에너지, 그리고 진동 에너지, 회전 에너지의 순이다. 대체로 스펙트럼에서 분자의 병진 에너지는 보통 고려되지 않는다. 서로 연관되어 있는 이들 에너지를 종류별로 나누어 생각하는 것은 중요하다.

양자역학으로부터 병진 에너지를 제외한 모든 분자 에너지는 양자화되어 있다. 즉 임의의 에너지를 갖는 것이 아니라 특정한 값만을 갖는다. 예를 들어 조화진자 근사법을 쓰면 2개의 원자로 이루어진 분자의 진동 에너지는 Ev=(v ＋ 1/2)hvo(v=0, 1, 2,……)이며 여기서 v를 진동 양자수라 한다.

응용

다양한 분자분광법이 가장 중요하게 쓰이는 것은 정량·정성 분석에서 특정 화학종을 확인하는 것이다(→ 화학분석). 이런 용도로는 적외선 스펙트럼이 특히 유용하며 라만 스펙트럼, 순수회전 스펙트럼(마이크로파 스펙트럼) 등도 이런 목적으로 이용된다.

그외에 분자의 기하학적 구조를 알기 위해서도 분자분광법이 사용된다.

분자분광학의 영역

마이크로파 분광법

분자의 회전 에너지 준위의 차이가 마이크로파 영역에 해당되므로 마이크로파를 흡수한 분자는 한 회전 에너지 준위에서 다른 회전 에너지 준위로 전이한다.

이원자분자의 경우 선형강체 회전자 모형으로 회전 에너지 준위를 계산할 수 있으며, 선택률까지 고려하면 등간격의 피크가 생김을 알 수 있다. 이 간격은 관성 모멘트와 관련되어 있으며, 이로부터 두 원자핵 사이의 거리를 구할 수 있다. 다원자분자의 경우는 구해야 할 원자핵 사이의 거리가 여러 종류이므로 마이크로파 스펙트럼의 정보만으로는 이를 구하기에 불충분하다. 마이크로파 분광법으로부터 얻을 수 있는 분자에 관한 정보는 정량적 분자구조, 전기 쌍극자, 자기 모멘트, 핵 스핀, 내부회전장벽, 분자 사중극자 모멘트, 화학결합에 관한 정보 등을 들 수 있다.

적외선 분광법

분자의 진동운동은 질량이 없는 용수철(원자가 결합)에 연결되어 있는 점질량(원자핵)모형으로 설명할 수 있다.

고전역학에 의하면 공명에 의해 특정 진동수를 갖는 진동이 주로 일어나게 된다. 이들은 각기 다른 형태의 운동에 관련되어 있으며 고유한 진동수를 갖는 이들 운동을 기준진동방식이라고 한다. 그림2는 선형분자인 이산화탄소의 기준진동방식을 나타낸 것이다. 실제로 분자는 양자역학을 따르지만 이것에 의한 계산도 위의 결과와 비슷한 형태를 보여준다. 적외선 스펙트럼에는 이들 기준진동방식들 중에서 그 운동에 의해 분자의 자기 쌍극자 모멘트가 바뀌는 것만이 나타나게 된다.

분자의 적외선 스펙트럼은 매우 특징적이어서 화학자들이 물질을 확인하는 데 많이 이용한다. 뿐만 아니라 특정 작용기는 분자에 상관없이 거의 일정한 진동수에서 나타나기 때문에 분자 내에 특정 작용기가 존재하는지를 확인하는 데도 쓰일 수 있다. 한편 적외선 스펙트럼으로부터 분자 내의 원자들 사이의 결합력을 구할 수도 있으며, 분자의 대칭성에 관한 정보도 얻을 수 있다.

라만 분광법

라만 분광법은 분자에 의해 광자가 산란되는 사실을 이용한 것이다.

이는 적외선 분광법처럼 분자의 진동운동에 관한 정보를 제공해주며, 이들 두 분광법의 차이점은 분자가 특정 대칭성을 지닐 때 선택률이 달라진다는 것이다. 기체 상태의 작은 분자인 경우 순수회전 라만 스펙트럼도 관찰되었다.

가시 스펙트럼과 자외선 스펙트럼

색깔을 띠고 있는 물질들은 가시영역의 복사파를 흡수한다.

이 영역이 자외선 쪽으로 옮겨가면 더 많은 물질들이 흡수띠를 보인다. 이런 흡수는 거의 모두 전자가 들뜬 상태로 전이되기 때문이다. 분자 내에서의 전자 상태를 근사적으로 기술하는 여러 가지 방법들이 개발되었다. 그중 대표적인 것으로는 분자궤도함수(molecular orbital/MO)를 들 수 있다. 이는 전자들 사이의 복잡한 상호작용을, 한 전자를 기준으로 한 다른 전자들의 평균적인 상호작용으로 대체시켜 각 전자에 대한 MO를 구하는 것이다.

이로부터 바닥 상태에서 채워진 것 중에서 가장 에너지가 큰 MO로부터, 비어 있는 것 중에서 에너지가 가장 낮은 MO로 전이를 하게 된다. 그림3은 분자궤도함수의 에너지 점유 도표를 나타낸 것이다. 그러나 실제 전자의 반발작용을 충분히 표현할 수 없기 때문에 오차가 생긴다. 보통의 경우는 한 분자를 이루는 여러 원자들로부터 생기는 둘 이상의 원자궤도함수를 조합하여 MO를 구한다.

이 가시-자외선 스펙트럼을 이용하여 이원자분자를 각각의 원자로 쪼개는 데 필요한 에너지를 정확히 구할 수 있다.

전자분광법

에너지가 아주 높은 복사선이 물질을 통과하면, 분자의 구속력이 미치는 에너지 준위 밖으로 전자가 완전히 빠져나오게 되어 분자는 양이온이 된다.

여기서 빠져나온 전자는 여분의 에너지를 운동에너지의 형태로 갖게 되며, 이를 측정하여 이온의 에너지 상태를 알 수 있게 된다. 이 전자 스펙트럼으로부터 원자를 확인하고 관련된 정보를 얻을 수 있다.

분자 빔 분광법

긴 파장 영역에서 생기는 도플러 효과를 없애기 위해 분자를 가는 광선 형태로 만들게 되는데 이를 분자 빔(molecular-beam)이라 한다.

미국의 물리학자 레이비는 이것을 이용한 분자 빔 분광계를 개발했다. 같은 회전-진동 에너지 준위가 전기·자기장에 영향을 받아 서로 다르게 공간양자화되며, 이들 사이의 전이를 이 분자 빔 분광계로 관찰할 수 있게 된다. 또한 분자의 회전에 의해 생기는 자기 모멘트와 원자핵의 자기 모멘트에 의해 생기는 초미세구조에서의 전이도 관찰할 수 있고, 분자의 전기 쌍극자 모멘트도 정확하게 측정할 수 있다.

X선 분광법

고립된 원자나 전자에 의해 2가지 경로로 짧은 파장의 복사선이 생길 수 있다. 원자로부터 2개 이상의 전자를 떼어내면 불균등한 전하에 의해 나머지 외곽 전자들은 원자핵에 더욱 강하게 속박되며, 이들 전자의 전이에 의해 100Å(옹스트롬)이나 그 이하의 파장을 갖는 광자가 방출된다.

또다른 방법은 중성원자의 안쪽 껍질에 있는 전자를 떼어내는 것이다. 이는 높은 에너지를 갖는 전자, 양성자, 혹은 다른 입자로 원자를 포격시키거나, 원자에 매우 에너지가 높은 X선을 쏘여줌으로써 이루어진다. 이 경우 그 전자가 빠져나간 구멍을 메우기 위해 다른 전자들이 전이를 하게 되며, 이때 X선이 방출된다. 이 2번째의 경우가 보통의 X선관 안에서 일어나는 현상이다.

전자가 빠져나간 구멍은 마치 양전하를 띤 전자처럼 생각할 수 있으며, 전자의 전이는 이 양전자가 거꾸로 전이하는 것처럼 생각할 수도 있다. 양전자의 전이로 보면 에너지의 크기가 거꾸로 되기 때문에 보통 X선 에너지 준위는 그 순서가 역전된다.

X선 분광법을 이용하여 동물의 조직, 공업용 시약, 기타 다른 여러 물질 속에 들어 있는 원소들을 정량적으로 확인할 수 있으며, 파장을 아는 X선을 쓸 경우 결정 격자간격이나 결정의 방위, 미지시료의 결정구조 등을 알 수 있다. X선 분광법에 사용되는 검출기는 사진판·필름·반도체 등이다. X선 세기를 전기적으로 기록하기 위해 섬광체 이온화 상자가 종종 이용되기도 한다. 요즈음은 반도체 분석 검출기가 주로 쓰인다.

고주파 스펙트럼

원자핵은 고유한 자기 모멘트와 핵운동을 하기 때문에 종종 고유한 각운동량(스핀)과 자기 모멘트를 갖는다. 따라서 같은 에너지를 갖는 여러 개의 전자 에너지 준위가 에너지 차이가 근소한 여러 개의 에너지 준위로 나누어진다. 이를 자기 초미세구조라 한다. 이들 에너지 준위 사이의 전이에 의해 106~1,011㎐의 스펙트럼이 관찰되는데, 이를 고주파 스펙트럼 또는 마이크로파 스펙트럼이라고 한다.

가시영역이나 자외선영역의 전이만큼 빨리 전이가 일어나지 않기 때문에 이들 스펙트럼은 방출보다는 흡수 쪽으로 측정된다. 고주파 스펙트럼을 통해 특정 물질을 이루는 성분과 화학결합의 형태를 알 수 있다. 원자핵의 방향이 변화하면서 생기는 스펙트럼은 핵자기공명 스펙트럼 또는 NMR 스펙트럼이라 알려져 있으며, 유기화합물을 확인하는 데 매우 유용하다.

질량분석법

개요

질량분석법은 전기장과 자기장 내에서 이온이 그들의 질량 대 전하비로 분류된다는 성질을 이용한다.

이는 분류된 이온을 검출하는 방법에 따라 질량분석계와 질량분석사진기로 나뉜다. 질량분석기는 고진공계·시료조작계·이온화상자·분석기·검출기의 5개 부분으로 이루어져 있다.

질량분석법의 역사

1898년 독일의 물리학자 빈은 전하를 띤 입자 빔은 자기장에 의해 편향된다는 사실을 발견했다.

1907~13년의 연구를 통해 톰슨은 정전기장과 자기장 내에서 이온이 포물선운동을 하며, 각 포물선은 특정 질량 대 전하비를 갖는 이온에 대응된다는 사실을 밝혔다. 이후 질량분석기가 출현했으며 대기 중에 있는 희유기체의 스펙트럼을 관찰할 수 있게 되었다. 1918~19년 애스턴과 뎀프스터에 의해 초점 질량분석계가 만들어졌다. 애스턴은 전기장과 자기장을 모두 사용했고, 뎀프스터는 자기장만을 사용했다.

1935~36년 이중초점 질량분석기가 만들어졌다. 이후에는 교류 전기장을 이용한 것, 펄스빔의 원리를 이용한 것 등이 개발되었으며, 1953년 파울리와 슈타인베델은 사중극자 질량분석계를 개발했다.

이온 생성과 검출

분자가 전자와 충돌하면 전자를 잃고 양이온이 되며, 여분의 에너지로 인해 이 양이온은 중성의 토막을 잃고 여러 가지 형태의 이온으로 바뀌며, 이들에 의해 질량 스펙트럼이 나타나게 된다.

처음 충돌하는 전자로부터의 에너지 전이가 충분히 클 경우 분자 이온이 간혹 ＋2 이상의 전하를 띠기도 하며, 전자의 운동 에너지가 작을 경우 음이온도 볼 수 있다. 처음 사용되는 전자 발생원으로는 가열된 텅스텐이나 레늄 필라멘트를 사용한다. 전자 대신 원자외선 영역의 광자나 고주파 펄스 퍼텐셜, 저전압 아크 광원 등이 이용되기도 한다.

널리 쓰이는 이온 검출기는 2종류, 즉 사진판과 이차전자증배관이다. 이차전자증배관으로는 하나의 이온까지도 측정할 수 있다. 이외에 전기검출기로 패러데이 케이지가 있다.

이온 분석

같은 지점에서 출발하여 자기장 내에 들어오는 모든 이온들은 전하와 운동량이 같으면 질량에 관계없이 같은 반경으로 움직이며, 그림4에서 볼 수 있듯이 180。 이후에 1차 초점이 생긴다.

한편 운동 에너지가 같기만 하면 분석광계에서의 곡률반경은 이온의 질량-전하비에만 의존하게 된다. 따라서 에너지가 같은 이온을 다양한 질량성분으로 분리시키는 데 자기장을 사용할 수 있다.

그림5에서처럼 전기장 내에서 이온이 운동하게 되는 호의 반지름은 운동 에너지에 비례하며, 이로부터 이온의 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있다. 자기장과 전기장을 동시에 사용한 이중초점 질량분석계는 마타우흐 헤르초크에 의한 것, 니어에 의한 것 등 2가지 예를 들 수 있다.

응용

질량분석계로는 동위원소의 질량을 측정하고, 천연 시료나 임의의 시료 내에 있는 동위원소의 상대적인 양도 알 수 있다.

이를 이용하여 분자 중의 특정위치에 있는 특정원자를 동위원소 표지(isotope labelling)를 하여 생물의 대사 연구, 식물의 호흡, 광합성, 인산 전이반응 등의 분야를 발전시켰다. 원자량을 정확히 아는 원자의 2/3 이상은 질량분석계의 측정을 바탕으로 한다. 오늘날의 유기화학자들은 유기화합물의 구조식을 결정하기 위해 질량분석계를 주로 이용한다(유기화학). 이외에도 고주파 스파크 광원을 이용하여 휘발성이 적은 여러 물질들을 질량분석법으로 연구할 수 있으며 방사성붕괴를 바탕으로 하여 지질학적 연대도 알 수 있다.