빛 이야기 (3) 빛의 성질

빛 이야기 (3) 빛의 성질

빛 이야기 (3) 빛의 성질

지난 번에 빛 이야기 두 번째로 “빛의 단위”에 대해서 알아보았습니다. 모두 알고있는 내용을 반복한건 아닌지 모르겠네요. 전 글을 쓰면서 새삼 새롭게 알아가는 것이 많았습니다. 잘 알고 있다고 생각하는 것들이 시간이 지나면서 개념이 모호해지고 사실과는 다르게 이해하고 있는 것도 있었습니다. 이번에는 빛이 가진 기본적인 성질에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

빛 이야기 첫 번째 주제인 “빛이란 무엇인가?”를 다루면서 빛이 “파동”일 뿐 아니라 “입자”로서 이중성을 갖는다는 것을 이야기했습니다. 빛에 대한 논란을 끊임없이 해오면서 우리는 빛에 관해서 더 자세히 알 수 있었습니다. 빛의 성질을 연구하는 분야에 따라 관점을 달리합니다. 이론물리학자들은 에너지를 비롯한 모든 물리량이 양자화되어 있고 모든 물질들이 파동과 입자의 성질을 가진 원자보다 작은 세상을 탐구하였습니다. 반면 천체물리학자들은 상상할 수도 없는 큰 천체들을 연구합니다. 재미있는 사실은 이들 모두 근본적으로 같은 물질인 “빛”을 연구한다는 것입니다. 이런 물리학자들의 끊임없는 논란과 연구를 통해서 빛의 고유한 특성을 밝혀낼 수 있었습니다.
그럼 빛의 고유특성에 관해서 알아보도록 하겠습니다.

직진
일반적으로 알고 있듯이 빛의 기본적인 성질은 직진성입니다. 직진성은 같은 균질한 매질 속에서 직진하는 성질을 말합니다. 빛의 직진성으로 물체에 그림자가 생깁니다. 자연계에서 일어나는 대표적인 현상으로 달이 태양과 지구 사이에 놓일 때 태양이 가려지는 일식이나 달이 태양에 의해 생긴 지구의 그림자 속에 들어가 생기는 월식이 나타나는 것입니다. 현대 물리학에서 아인슈타인은 상대성 이론에서 무거운 중력에 의해 빛이 휘어짐을 예측했지만 이 경우에도 시공간이 휘어질 뿐 빛은 휘어진 공간을 직진하는 것입니다.

빛의 직진 : 일식과 월식

반사
빛이 물체의 표면에 닿으면 일부가 반사하게 됩니다. 학창시절 배운 반사의 법칙이 기억나네요. 빛이 입사할 때 평면과 이루는 각은 반사할 때의 각과 같다. 새록새록 기억이 나실 것 같습니다. 반사에는 전반사와 난반사가 있습니다. 거울과 같이 매끄러운 표면에 평행한 입사광선이 도달하면 반사광선도 평행광선이 되는 데 이를 정반사라고 합니다. 하지만 일반적으로 모든 표면이 울퉁불퉁하기 때문에 반사광선은 서로 다른 방향으로 진행하는 난반사가 일어납니다. 이런 난반사 덕분에 우리는 어느 방향에서나 볼 수 있습니다.

빛의 반사법칙

굴절
빛이 한 매질에서 다른 매질로 입사하게되면 입사한 빛은 일부는 반사되고 나머지는 새로운 매질 속으로 투과됩니다. 이때 매질의 특징에 따라 빛의 방향이 바뀌게 되는데 이를 굴절이라고 합니다. 굴절률이 다른 두 매질을 통과하는 빛은 매질마다 빛의 속도가 다르기 때문에 휘어지게 됩니다. 대표적인 실험으로 투명한 유리컵에 젓가락을 담구어 관찰하면 휘어져보이는 것을 볼 수 있습니다. 젓가락이 휘어져 보이는 것은 빛이 공기중에서 물이라는 새로운 매질로 입사하면서 굴절하기 때문입니다. 우리 눈은 굴절에 의한 착시로 마치 젓가락이 휘어지게 보게 됩니다. 이런 굴절현상을 이용한 것이 렌즈입니다. 렌즈를 통과한 빛은 렌즈의 두꺼운 쪽으로 꺽이게 됩니다. 이를 이용하여 볼록렌즈와 오목렌즈와 같은 기본적인 광학렌즈를 만들수 있을 뿐 아니라 조명기기에서 사용하는 프레즈넬 렌즈와 같은 특수한 목적으로도 활용할 수 있습니다. 프레즈넬 렌즈는 빛의 굴절에 양면이 아닌 한면만 필요하다는 사실을 발견하여 볼록렌즈를 절단하고 압축한 다음 여러 개의 동심원의 굴절율 이용하여 일정한 방향으로 빛이 나아갈 수 있도록 만들었습니다. 이 동심원은 빛을 집광시켜 효율성 또한 크게 향상시켜 다양한 조명기기에서 활용되고 있습니다.

빛의 굴절

굴절현상을 이용한 오목 볼록렌즈

프레즈넬 렌즈

분산
자연에서 볼 수 있는 빛의 분산의 대표적인 사례는 비운 뒤 하늘에서 볼 수 있는 무지개입니다. 빛의 분산이 일어나는 이유는 우리가 볼수 있는 가시광선이 여러가지 색이 합성된 백색광이기 때문입니다. 프리즘을 통과 시키면 굴절률이 가장 큰 보라색이 가장 많이 꺽이고 굴절률이 작은 빨간색이 가장 적게 꺽여 무지개 색상을 나타나게 됩니다.

프리즘을 통한 빛의 분산

합성
빛이 분산과 반대 개념으로 두가지 이상의 단색광이 합쳐져서 다른 색으로 보이는 현상을 말합니다. 일반적으로 물감으로 색을 혼합하면 검정색이 되지만 빛은 섞으면 섞을수록 흰색에 가까워지게 됩니다. 이런 빛의 합성은 TV, 모니터, 카메라와 같은 픽셀 단위로 구성되는 제품에 응용됩니다. 또한 이런 빛의 성질을 토대로 LED 조명장비를 만들어 낼 수 있는 것입니다.

빛의 합성

색의 합성

산란
“하늘은 왜 파란색일까요?”
자녀들의 과학책에서 한번쯤은 들어보았던 질문입니다. 하지만 쉽게 대답하지 못했던 그 질문의 정답이 바로 “빛의 산란”입니다. 빛은 대기를 통과해서 들어오다가 공기 등등의 여러 입자와 만나면 사방으로 퍼지게 됩니다. 이러한 현상을 산란이라고 합니다. 공기분자들에 산란할 때, 짧은 파장의 빛인 보라, 파란 빛이 더 긴 파장인 주황,빨간 빛보다 더 많이 산란되기 때문에 하늘이 파랗게 보이는 것입니다. 그럼 해질녂 노을은 어떻게 된거냐구요? 해가 질때 태양의 고도가 낮아지면서 태양빛이 대기층을 통과하는 경로가 길어지게 됩니다. 긴 경로를 통과하면서 파란 빛은 더 많이 산란되어버리고. 미처 산란되지 않은 노랑이나 붉은 빛을 보게 되는 것입니다.

대기를 통과한 빛의 산란

회절과 간섭
빛의 성질 중 가장 어렵고 생소한 두 가지 개념이 남았습니다. 간섭과 회절현상은 “빛 이야기” 첫 번째 주제인 파동설에서 언급했었습니다. 회절현상은 빛이 물체의 모서리나 작은 구멍을 통과할 때 장애물을 우회하여 도달하지 않을 것 같은 곳에 도달하는 현상을 말하고, 간섭현상은 둘이상의 파동이 만날 때 중첩의 원리에 의해 파동의 진폭이 더해지거나 작아지는 현상을 말합니다. 이 두 현상은 파동이 중첩되어 나타나는 현상으로 물리적으로 유사하여 쉽게 구분이 안됩니다. 대표적인 실험으로 단일 슬릿과 이중 슬릿 실험을 통해서 좁은 틈을 통과한 빛이 스크린에 나타나는 무늬를 통해 간섭과 회절현상을 눈으로 확인할 수 있습니다.

이중슬릿을 통과한 빛의 간섭현상

위의 그림에서 보듯이 빛이 두개의 슬릿을 통해 이동하면서 파동이 서로 간섭하여 보강하게되면 밝은면이 생기고 상쇄하게되면 어두운 그림자를 만들게 됩니다. 또한 슬릿의 폭이 넓을수록 파의 구부러짐이 작고 폭이 좁을수록 구부러짐이 커집니다.

빛의 회절

이러한 빛의 회절과 간섭현상은 주로 물질의 광학적 성질이나 빛의 파장을 측정하는데 사용됩니다. 최근에는 레이저를 이용하여 높은 정밀도를 요구하는 거리측정 등의 산업분야에서 활용되고 있습니다.

지금까지 세 가지 이야기를 통해 빛에 대해서 알아보았습니다. 학창시절 혹은 조명을 처음 배울 때 한번쯤은 들어본적이 있는 내용입니다. 조명을 하는데 기본이 되는 내용인지라 누군가에게 도움이 되었으면 하는 마음에 정리를 해보았습니다. 지루함을 참고 읽어봐주신 분들께 감사드립니다.