빛의 성질

빛의 성질에 대해 알아보자

 

1) 반사 : 빛이 물체의 표면에 입사하면 빛의 일부가 반사하게 된다. 95% 정도가 반사하게 된다.  빛이 입사할 때 평면과 빛이 이루는 각은 반사될 때의 빛과 평면이 이루는 각이 같다는 법칙이 반사의 법칙이다. 이에는 전반사와 난반사가 있다.

 

 

 

 

2) 굴절 : 빛이 한 매질로부터 다른 매질로 입사하면 입사한 빛의 일부는 경계면에서 반사되고 나머지는 새로운 매질 속으로 투과된다. 광선이 경계면에서 수직이 아닌 각으로 입사하면 새로운 매질에서 그 방향이 바뀌어지며 이러한 현상을 굴절이라 한다. 굴절은 스넬의 법칙에 의한다

 

 

 

 

 

3) 회절 :  빛을 파동으로 이해하였을 때, 빛이 모서리에서 휘거나 번져나가는 현상. 프레넬의 실험(물리 현상의 원리 강의 양자역학 부분 참고)에서 빛이 원판을 만나면 둥그런 그림자가 생기는데, 가운데에 밝은 점이 생기는 현상이 이 회절 현상이다. 이는 보강 간섭을 일으키는 경우이다. 다음은 영의 2중 슬릿 실험이다.

 

 

 

 

 

 

4) 간섭 :  호이겐스(C. Huygens : 1629-1695)는 호이겐스의 원리로 빛의 파동론을 제창했다. 이 호이겐스의 원리는 파면상의 모든 점들은 작은 파동을 만드는 파동의 근원이라 볼 수 있고 이들 작은 파동들은 원래 파동의 전파속도로 전방으로 파급되어 간다. 이 때  새로운 파면(wave front)은 이들 작은 파면들의 접선으로 이루어지는 포괄면(envelope)이다.  이러한 빛의 파동성에 의하면 다음의 영의 실험에서 나타나는 빛의 스펙트럼 현상을 설명할 수 있다.

 

두 슬립을 통과한 파동은 같은 거리를 진행할 경우,  두 파동의 위상이 같아 보강간섭이 일어나게 되고 반대로 두 광파의 진행 거리가 한 파장의 정수배만큼 차이가 날 경우

 보강간섭이 일어난다. 반대로 두 광로의 차가 반파장이 되는 경우에는 소멸간섭이 일어난다.

 

 

 

 

 

5) 직진 : 빛이 균일한 매질 속에서 곧바로 나아가는 현상. 파장이 짧을수록 직진성이 강하다. 빛의 직진성으로 물체에는 그림자가 생긴다. 바늘구멍 사진기에 물체의 상이 생기는 것이나 달이 태양과 지구 사이에 놓여 때 태양이 가려지는 일식이나 달이 태양에 의해 생긴 지구의 그림자 속에 들어와 달이 보이지 않게 되는 월식 등은 빛이 직진하기 때문에 일어나는 현상이다.

 

 

 

6) 분산 : 물질 속의 빛의 속도는 매질 속에서 파장에 따라 다르며, 굴절률 또한 파장에 따라 변한다. 매질의 고유한 스펙트럼 선이나 띠에서 멀어진 영역에서는 정성분산 되지만, 고유스펙트럼 부근에서는 변칙 분산이 일어난다. 태양광선(백색광)을 프리즘을 통과시켜 스크린에 받아보면 빨·주·노·초·파·남·보라의 여러 가지 색광으로 나뉜다. 이러한 현상을 빛의 분산이라 한다. 스펙트럼(spectrum)은 빛의 분산에 의해 생긴 무늬띠이다. 사람의 눈으로 볼 수 있는 가시광선(7600∼400Å)과 빨강보다 파장이긴 눈에 보이지 않는 빛인 적외선(infrared ray), 보라보다 파장이 짧아 눈에 보이지 않는 빛인 자외선(ultraviolet rays)이 있다. 이와 같이 파장이 짧은 빛일수록 굴절률은 크다.

 

 

 

 

 

 

7) 합성 : 두 가지 이상의 단색광이 합쳐져서 다른 색으로 보이는 현상. 빛의 분산과 반대되는 과정이다.

 

< 빛의 합성(좌)과 색의 혼합(우)>

 

빛의 합성 

미술 시간에 물감을 섞을 때, 여러 가지 색의 물감이 섞이면 다른 색이 나오듯이 빛을 합성하면 다른 색의 빛이 된다. 그러나 물감의 경우와 차이점이 있는데, 물감의 경우에는 여러 색을 섞을수록 검은색에 가까워지는 반면에 빛의 경우에는 섞을수록 흰색에 가까워진다.

빛의 합성 방법
여러 가지 색으로 구성된 팽이를 회전시키거나 흰 종이 위에 여러 가지 단색광(시각적으로 일정한 단일 색감을 일으키는 빛)의 빛을 겹쳐서 비추면 합성된 결과를 확인할 수 있다. 또한 흰 종이 위에 검은 색 점을 촘촘히 찍고 멀리서 그것을 보면 마치 회색처럼 보이는 것도 같은 이치이다.

빛의 삼원색의 합성
빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파란색의 빛을 각각 합성하면 다음과 같은 결과를 얻는다. 빨강+초록=노랑, 초록+파랑=청록, 빨강+파랑=자홍, 빨강+파랑+초록=흰색

이러한 빛의 합성의 원리는 연극에서 조명으로도 활용하는데, 배우를 돋보이게 하는 흰색의 조명을 만들기 위해서는 빨강, 파랑, 초록색의 빛을 합성한다. 또한 빛의 합성은 일반적으로 TV, 컴퓨터의 모니터, 디지털 카메라 등 픽셀 단위로 구성된 화면 대부분에 이용된다.

 

 

8) 산란 : 햇빛은 보라색에서 빨간색까지 모든 빛깔이 섞여 있는 전자기파의 일종이다. 빛은 대기를 통과해 들어오다가 여러 가지 공기 등등의 입자를 만나면 사방으로 퍼지게 된다. 바로 이러한 현상이 산란이다.

공기의 작은 산소나 질소 분자 들은 가시광선 영역중에서도 특히 짧은 파장의 빛들을 훨씬 더 효과적으로 산란시킨다.

일단 태양빛이 지구의 대기에 도달하면 가시광선보다도 짧은 파장을 갖는 자외선은 성층권의 오존층에서 대부분이 흡수되어버리고, 나머지가 대기를 구성하는 분자들이나 작은 먼지 입자들에 의해 산란된다.

이때 하늘이 파란색을 띠는 이유는 공기분자들에 산란될 때 짧은 파장의 빛인 보라, 파란 빛들이 더 긴 파장인 주황, 빨간 빛들보다 더 많이 산란되기 때문이다.

산란이 많이 되는 색의 빛이 우리 눈에 더 많이 들어 오기 때문에 하늘색을 파랗다고 느끼게 된다. 그런데 하늘이 가장 많이 산란되는 보라색이 아니라 파란색으로 보이는 이유는 우리의 눈이 보라색에는 둔감한 편이라서 푸른 계통의 빛이 더 잘 보기 때문.

그래서 평상시의 맑은 하늘은 파랗게 보인다. 즉, 대기를 구성 하는 분자들에 의한 산란 현상이, 하늘을 파란 색으로 보이게 하는 것이다.

참고로 노을이 질 때는 태양의 고도가 낮을 때인데, 태양의 고도가 낮아질수록 태양빛이 대기층을 통과하는 경로가 길어진다. 빛이 그러한 긴 경로를 통과하면서 파란색 빛은 더 많이 산란되고, 따라서 우리 눈에는 미처 산란되지 않은 노랑이나 붉은 계 통의 빛이 들어오게 된다. 그래서 노을은 붉그스름하게 보이는 것.