빛 (light)
파장이 4,000~7,000Å(옹스트롬)의 가시광선을 나타내며, 시신경을 자극하여 사물을 알아볼 수 있게 한다. 넓은 의미로의 빛은 적외선과 자외선 및 X선, 감마선까지 포함하여 지칭하기도 한다.
사물을 인식하는 것에는 2가지 경우가 있는데, 태양이나 전등 같은 광원에서 나오는 빛을 직접 보는 것과 광원에서 나온 빛이 어떤 물체에서 반사되는 것을 보는 것이다.
진공 상태에서의 빛의 속도는 물리학에서 아주 중요한 보편상수로서 보통 c로 나타내며 그 값은 299, 792, 458m/s이다.
빛이 매질을 통과하는 속도(υ)는 진공 중을 통과하는 속도(c)보다 작으며, c와 υ의 비를 그 물질의 굴절률(n)이라 한다. 즉 n=c/υ이다. 빛은 진공 속에서 매우 빠른 속도로 에너지를 전달하며, 매질을 통과하면서 흡수·반사·굴절 과정을 거치며 광원과 매질에 대한 정보를 전달하기도 한다. 전자기파는 그 파장이나 진동수에 따라 광선영역·광학영역·전파영역으로 구분한다.
광선영역은 감마선(0.03㎚ 이하)과 X선(0.03~30㎚)으로 구분되고, 광학영역은 자외선(30~400㎚)과 가시광선(400~700㎚), 적외선(0.7~300㎛), 그리고 전파영역은 마이크로파(0.3㎜~300㎜), 라디오파(300㎜ 이상)로 구분된다.
가시광선의 빛은 그 파장에 따라 나타내는 색이 다른데, 1가지 색을 띠는 빛, 즉 같은 파장이나 진동수를 가진 빛은 단색광(monochromatic light)이라 하며, 여러 파장의 빛이 혼합되어 있는 빛은 복합광이라 한다. 이러한 빛에 대해 연구하는 학문을 광학(optics)이라고 한다.
빛은 한 점에서 다른 점으로 전파될 때 페르마의 원리에 의해 시간이 가장 적게 걸리는 경로를 따라 진행한다. 한 매질 내에서의 빛은 직선적으로 진행한다. 반사와 굴절 빛이 물체의 표면에 입사되면 빛의 일부는 반사되고, 나머지는 그 물체에 흡수되거나 투과된다.
광선이 평면에 입사할 때 그 평면의 수직선이 입사광선과 이루는 각을 입사각이라 하고 반사광선과 이루는 각을 반사각이라 한다.
반사광선은 입사광선과 수직선이 만든 입사면 위에 있으며, 입사각과 반사각은 같다. 이것을 반사법칙이라 하며 빛·소리·전자기파 등 모든 파동에 대해 적용된다.
빛이나 파동이 한 매질에서 다른 매질로 입사할 때 반사되고 남은 일부는 새로운 매질 속으로 투과하게 된다. 입사광선이 경계면에 수직이 아닌 방향으로 입사되었을 경우 광선은 새로운 매질에서 그 진행방향이 바뀌게 되는데 이것을 굴절이라고 한다.
굴절된 광선과 수직선 사이의 각을 굴절각 θ2라 하며 입사각 θ1과는 n1sinθ1=n2sinθ2의 관계가 있다. 여기서 n1, n2는 각각 첫번째 매질과 2번째 매질의 굴절률이다. 이 관계식은 1621년 W. 스넬에 의하여 실험적으로 얻어졌으며, 스넬의 법칙이라 한다(스넬의 법칙). 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 입사할 때 입사각 θ가 sinθc=n2/n1을 만족하는 θc보다 클 경우 빛은 모두 반사되며 이러한 현상을 전반사라고 한다.
광섬유를 이용한 통신은 전반사의 대표적인 응용의 한 예이며, 볼록 렌즈나 오목 렌즈도 빛의 굴절현상을 이용한 것이다.
기하광학(幾何光學)은 빛이 직선으로 전파될 때 렌즈나 거울에 의한 반사와 굴절현상을 연구하는 학문이다.
간섭과 회절 간섭현상은 파동의 대표적인 성질로서 진동수와 파장이 같은 두 파가 만날 때 생기는 현상이다. 각 파의 위상이 같으면 보강간섭이 일어나서 파의 진폭이 커지고, 위상이 반대인 경우에는 소멸간섭이 일어나서 진폭이 줄어든다.
1801년 영국의 과학자 토머스 영은 영의 실험으로 알려진 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 간섭현상을 측정함으로서 빛의 파동설을 확신시켰으며, 빛의 파장을 측정할 수 있었다(영). 이러한 간섭현상은 호이헨스의 원리로부터 설명될 수 있다.
호이헨스의 원리는 파면상의 모든 점들은 작은 파동을 만드는 파동의 근원이라 볼 수 있고 이들 작은 파동들은 원래의 파동의 전파속도로 전방으로 전파되어나가며 이때 새로운 파면은 이들 작은 파면들의 접선으로 이루어지는 포괄면이라는 것이다. 2개의 슬릿을 통과한 빛은 각각 하나의 점광원으로 간주할 수 있으며 이 두 빛이 서로 간섭현상을 일으키는 것이다.
비눗방울이나 물 위의 기름막으로부터 여러 가지 색의 빛이 반사되는 것을 볼 수 있는데 이러한 것도 역시 빛의 간섭현상에 의한 것이다.
소리와 같은 파동은 진로 도중에 장애물이 있으면 장애물의 모서리에서 휘어진다. 이러한 현상을 회절(回折)이라 한다. 점광원으로부터 나온 빛을 곧은 날에 비추면 그 그림자의 모서리는 명확하지 않고 여러 개의 회절무늬를 나타낸다.
빛은 소리에 비해 회절현상이 잘 관측되지 않았는데, 그 이유는 회절은 파동의 파장이 물체의 크기나 구경과 비슷할 때 잘 일어나기 때문이다.
소리의 경우 그 파장이 1m 정도이므로 그만한 크기의 장벽 뒤에 있어도 회절현상 때문에 잘 들을 수 있지만, 가시광선의 파장은 400~700㎚로 짧기 때문에 회절현상의 관측이 잘 되지 않는다. 장애물이나 구경으로부터 충분히 먼 거리에서 임의의 점에 도달하는 광선이 거의 평행일 때 생기는 회절무늬는 프라운호퍼 회절무늬라 하고, 점광원 가까이서 관찰되는 무늬는 프레넬 회절무늬라 한다. 분산 어떤 매질 속에서의 빛의 속도는 그 빛의 파장과 진동수에 의존한다.
유리에서는 짧은 파장의 파란 빛에 대한 굴절률이 긴 파장의 빨간 빛에 대한 굴절률보다 약간 크다. 태양광 같은 백색 광선이 유리 프리즘에 어떤 각도로 입사되면, 굴절률이 큰 파장의 빛은 많이 굴절되고 굴절률이 작은 파장의 빛은 조금만 굴절되어 빛이 퍼지게 된다. 이러한 현상을 분산(分散)이라 한다.
무지개는 공기 중의 물방울 속에서 굴절에 의한 햇빛의 분산이 일어나는 예이다. 편광 빛이 횡파(橫波)라는 것을 증명하는 현상이다. 모든 횡파는 파의 진동방향과 진행방향이 수직인 파동이다. 어떤 파동이 한 평면상에서만 진동한다면 그 파는 "직선편광 또는 평면편광되었다"라고 말한다.
빛이 편광될 수 있다는 사실은 19세기에 와서야 발견되었지만 뉴턴 시대에도 편광때문에 생기는 현상을 알고 있었다. 그 예는 방해석을 이용한 실험인데, 방해석은 하나의 광선을 2개의 광선으로 분리시켜 굴절시킨다. 또다른 방해석은 결정축의 방향에 따라 이 두 광선 중 하나를 통과시키지 않는다.
오늘날에는 방해석과 같은 결정을 복굴절체라고 하고, 복굴절체의 두 광선은 서로 수직으로 직선편광되어 있으며 방해석은 두 광선 중 하나를 소멸시키는 편광판에 해당한다는 것을 알고 있다.
편광판은 태양빛과 같이 편광되지 않은 빛 중에서 편광판의 투과축과 평행한 방향으로 진동하는 빛만 투과시킨다. 이러한 편광현상은 18세기초에 비로소 토머스 영과 오귀스탱 장 프레넬의 실험을 통해서 빛이 횡파라는 것을 의미하는 것임을 인식했다.
편광되지 않은 빛을 편광된 빛으로 만드는 현상에는 복굴절 외에도 흡수·반사·산란(散亂) 등이 있다. 산란은 분자들이 빛을 흡수한 다음 재방출하는 과정으로서 빛의 진행방향이 바뀌어 사방으로 흩어지게 되며 빛의 진행방향과 수직인 방향에서는 직선편광된 빛을 볼 수 있다.
미립자에 의한 산란은 빛의 파장 λ와 1/λ4의 관계가 있다. 하늘빛이 파란색으로 보이는 이유는 대기 중의 공기 분자가 태양빛 중에서 파장이 짧은 파란빛을 많이 산란시키기 때문이다.
빛은 원편광이나 타원편광될 수도 있으며, 편광된 빛과 편광되지 않은 빛이 섞여 부분편광되기도 한다. 전체 빛의 세기와 편광된 빛의 세기의 비를 편광도(偏光度)라고 한다.
입자설과 파동설 빛의 본질에 대한 논쟁인 입자설과 파동설은 고대 그리스 시대부터 언급되어왔다.
에우클레이데스는 거울에 입사된 빛과 반사된 빛의 각도가 같다는 것을 알았으며, 아리스토텔레스는 빛의 파동설을 주장했다.
17세기에 뉴턴은 입자설을 제안하여 반사 및 굴절의 법칙을 설명할 수 있었다. 그러나 뉴턴의 입자설에 의하면 물속에서의 광속은 공기 중에서보다 더 빨라야 하는데, 물속에서의 광속이 공기 중에서보다 느리다는 것이 200년 후인 1850년에 측정되었다. 같은 시대의 인물인 네덜란드의 과학자 호이헨스는 빛의 파동론을 주장했다. 그는 호이헨스의 원리를 이용하여 빛이 공기 중에서보다 물속에서 더 느리게 진행한다고 가정하여 반사와 굴절현상을 설명했다.
뉴턴은 자신이 오랫동안 연구해온 얇은 막에서 생기는 색깔이 파동설에 의하여 설명되었기 때문에 빛의 파동설의 타당성을 알고 있었지만 빛의 직진성 때문에 파동설을 부인했다. 그 당시의 뉴턴의 권위와 빛의 회절현상이 관측되지 못한 것 때문에 빛의 입자설이 1세기 이상이나 지배적이었으며 빛의 회절현상이 발견된 이후에도 입자설을 믿는 과학자들은 회절을 입자의 산란으로 설명하려고 했다.
1801년 영국의 과학자 토머스 영은 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 파동설을 부활시켰으며, 간섭의 개념을 처음으로 제안했다. 그러나 이러한 업적은 10년 이상 인정받지 못했으며, 1819년 프랑스의 물리학자 A. 프레넬이 빛의 간섭과 회절현상을 설명할 수 있는 빛의 파동이론을 발표하면서 파동론이 우세하게 되었다.
1850년 J.B.L.푸코는 물속에서의 광속은 공기 중에서의 광속보다 느리다는 것을 측정했으며, 빛의 입자설은 배제되었다. 1860년 J.C.맥스웰은 전자기학의 수학적 이론을 발표하여 빛은 전자기파라고 제안했으며 이것은 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠의 실험으로 입증되었다.
양자론 19세기말에서 20세기초에 발견된 광전효과 등의 여러 가지 현상들은 빛의 입자설과 파동설 중 어느 것으로도 설명될 수 없었다. 1905년 알베르트 아인슈타인은 광파의 에너지는 광자라고 하는 작은 덩어리로 양자화되어 있다는 광양자설을 제안하여 광전효과를 설명했으며, 광자의 에너지는 파동의 진동수에 비례한다고 했다(→ 아인슈타인). 즉 E=hv이며 여기서 h는 플랑크 상수이다.
1923년 발견된 콤프턴 효과 는 광양자설을 뒷받침해주었으며, C.J. 데이비슨과 L.저머의 실험과 G.P. 톰슨의 실험 등에 의해 빛은 입자와 파동의 성질을 모두 갖고 있다는 것을 알았다. 이같은 성질을 빛의 이중성이라 한다(→ 파동입자이중성).닐스 보어가 제안한 상보성원리에 의하면 입자와 파동의 성질은 서로 보완적이며 어떤 1가지 실험은 입자와 파동설 중 어느 1가지 성질로만 이해되며, 2가지를 다 적용해서는 안 된다. 광속의 측정 광속의 측정을 처음 시도한 사람은 갈릴레오 갈릴레이였다. 갈릴레오와 그의 조수는 각각 등불과 덮개를 갖고 1km 떨어진 언덕 위로 올라갔다.
갈릴레오는 빛이 두 사람 사이를 왕복하는 데 걸리는 시간을 측정하려고 했다. 갈릴레오가 등불의 덮개를 열면 그의 조수는 그 불빛을 보는 순간 자기 등불의 덮개를 연다. 갈릴레오는 등불의 덮개를 연 후에 조수의 등불로부터 오는 빛을 볼 때까지의 시간을 측정하면 광속을 계산할 수 있을 것이라고 생각했다. 그러나 빛의 속도는 사람의 빛에 대한 반응시간에 비해 훨씬 빠르기 때문에 광속은 측정할 수 없었다.
광속의 크기가 유한하다는 것은 목성의 한 위성(Io : 평균주기 42.5시간) 주기에 대한 천문관측으로부터 처음으로 입증되었다. 1675년 덴마크의 천문학자 O.뢰메르는 목성의 위성주기를 정밀하게 측정하여 그 주기가 지구와 목성의 상대적인 운동에 따라 달라진다는 것을 알았다. 이러한 차이는 지구와 목성 사이의 거리가 변하여 생기는 것으로서 광속이 유한하기 때문이라고 했다.
뢰메르가 측정한 값은 2.1×108m/s였다. 1849년 프랑스의 물리학자 A.H.L.피조는 천문학적이 아닌 방법을 사용하여 처음으로 광속을 측정했다. 피조는 광원으로부터 나온 빛이 톱니바퀴의 틈을 통과한 다음 8.9km 떨어진 곳에 있는 거울에서 반사되어 다시 톱니바퀴의 틈으로 돌아오도록 장치하고 톱니바퀴의 각속도를 조정함으로써 광속을 측정했다.
그의 측정값은 3.153×108m/s이며, 그의 장치는 J.B.L. 푸코에 의해 톱니바퀴 대신 회전거울이 사용됨으로써 측정법은 많이 개선되었으며 광속은 2.98×108m/s로 측정되었다. 또한 푸코는 1850년에 물속에서의 광속은 공기 중에서의 광속보다 느리다는 것을 알았는데 이 결과는 빛의 입자설에 모순되는 것이었다.
1880~1930년 사이에 미국의 물리학자 A.A.마이컬슨은 이러한 방법에 의해서 광속을 보다 정밀하게 측정했다. 다른 방법으로 광속을 결정하는 방법은 빛이 전자기파의 일종이라는 사실에 근거를 두고 있다. 광속은 진공 중의 유전율 ε0과 진공 중의 투자율 μ0의 곱의 제곱근의 역수와 같다. 즉 수식이다. 현재 사용하고 있는 광속의 값은 진공 중에서의 값인 c=299,792,458m/s이다.
세기 빛의 세기는 전자기파의 경우와 마찬가지로 단위시간에 단위면적에 전달되는 에너지의 양, 즉 J/(s·㎡) 또는 W/㎡로 나타내며, 광원의 총출력은 W(와트)로 나타낸다. 그러나 같은 에너지의 빛이라도 파장에 따라 눈이 받아들이는 감도에 따라 시각적인 밝기는 틀릴 수 있다.
광도의 단위인 cd(칸델라)는 단위시간에 단위입체각(sr) 방향으로 광원에서 나오는 빛의 양으로 정의되는데, 진동수 540THz의 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 1W/sr일 때의 광도가 638cd이다. 광선속의 단위는 lm(루멘)으로서 1lm=1cd·sr으로 정의된다.
조명의 정도를 나타내는 조도는 단위면적당의 밝기이며, 1cd의 광원으로부터 1m 떨어진 곳에서 면적이 1㎡이고 빛에 수직인 면의 조도를 1lx(럭스) 또는 1lm/㎡라 한다.
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