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[앵커]과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 ‘궁금한 S’ 시간입니다. 어둠을 밝히는 빛은 우리 삶에 있어서 가장 중요한 요소인데요. 그래서 아인슈타인을 포함한 위대한 과학자들도 ‘빛’에 대한 관심이 많았다고 합니다.빛이 가진 재미있는 특성은 무엇일지, 지금 바로 화면으로 만나보시죠.
[이효종 / 과학 유튜버]안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 ‘궁금한 S’의 이효종입니다. ‘궁금한 S’와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.
빛은 어두운 세상을 밝혀 무언가를 볼 수 있도록 해 줄 뿐만 아니라, 과학을 이해하고 기술을 발전시키는 데 커다란 도움을 줍니다. 그래서 예로부터 많은 신화나 이야기 속에서 찾아볼 수 있는, 너무나 고마운 존재죠.
수 세기에 걸쳐 정말로 많은 자연 철학자들과 과학자들은 이 ‘빛’이라는 존재에 대한 특성과 연구를 진행해왔고, 이는 정말 많은 과학 분야의 밑거름이 되었습니다. 이렇게 빛은 과학, 기술, 산업 그리고 우리의 일상과 아주 가까이 맞닿아 있는 존재라고 해도 과언이 아닐 정도로 다양하고 쉽게 접할 수 있는 대상이 되었습니다. 그런데 여러분, 혹시 알고 계셨나요?
바로 이 ‘빛’이 가지는 특성 때문에 우리 일상 속에서 발견할 수 있는 흥미로운 현상이 있다는 사실을 말이에요! 어떤 것들이 있는지, 함께 들여다보도록 할까요?
혹시 여러분들은 안에서는 밖이 보이는데, 밖에서는 안이 보이지 않는 유리를 본 적 있으신가요? 이러한 유리를 보통 반투과성 유리라고 합니다. 그런데 대체, 이 유리에 어떤 비밀이 숨어 있길래, 한쪽 방향에서는 투과되어 보이는 것이, 다른 한쪽 방향에서는 거울처럼 보일 수 있는 걸까요?
안에서는 밖이 잘 보이는데, 밖에서는 안이 안 보이는 상황은 대부분 물체에 닿는 빛이 ‘밖에’ 있는 상황일 가능성이 매우 큽니다. 왜냐하면, 결국 우리가 무언가를 보기 위해서는 물체 표면에서 빛이 산란한 뒤에 우리 눈으로 들어와야 하는데, 그 과정에서 유리가 물체를 보는 것을 방해하기 위해서는 보이는 쪽에서 빛이 산란하는 상황이어야 합니다.
유리를 사이에 두고 건물 안쪽에는 ‘S’가 건물 바깥쪽에는 ‘궁금’이가 있습니다. 이 유리는 아주 특수하게 제작된 유리라서 빛을 70%는 튕겨내고 30%는 투과시킨다고 가정해봅시다. 지금 시각은 낮입니다. 어떤 일이 일어날까요?
궁금이의 입장에서는 약 70% 빛을 반사하는 유리는 직접 입사하는 빛이든, 산란을 통해서 입사하는 빛이든 강하게 반사하게 되며 이는 마치 유리를 거울처럼 보이게 합니다. 하지만 유리 안쪽에 있는 S의 경우에는 그냥 30%만 투과하는 빛만 보이기 때문에 바깥 풍경을 마음껏 감상할 수 있습니다.
빛에 관한 재미있는 궁금증이 또 하나 있습니다. 생각해보면 빛의 3원색이라는 존재들은 섞으면 섞을수록 밝아지는데, 왜 비슷해 보이는 물감은 섞으면 섞을수록 어두워질까요?
색의 기원이 빛이라는 사실을 처음 밝혀낸 사람은 17세기를 대표하는 자연 철학자인 아이작 뉴턴의 프리즘 실험을 통해서였습니다. 프리즘을 통과한 빛은 여러 색깔, 즉 빨주노초파남보의 7가지 무지개색으로 나뉜다는 것을 알고 계신가요?
뉴턴도 바로 이 프리즘을 이용해 빛의 특성을 알아보았던 자연 철학자였죠. 당시 뉴턴은 빛은 색을 지니고 있는 알갱이들의 집합, 즉 ‘코어퍼슬’로 이뤄져 있다고 생각하였고, 물체가 색을 나타내는 이유는 바로 이 특정한 색의 ‘코어퍼슬’이 우리의 눈으로 들어오기 때문이라고 설명했습니다.
그러나 파동광학이 발달한 오늘날, 빛의 색은 사실 빛이 가지는 파장에 따라 달라진다는 사실을…
[YTN 사이언스 기사원문] https://science.ytn.co.kr/program/program_view.php?s_mcd=0082\u0026s_hcd=0022\u0026key=201904121627143131
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투과(transmission) | 과학문화포털 사이언스올
빛이나 파장이 두께가 있는 어느 물체의 표면에 도달하였을 때, 물질을 완전히 통과하여 그 물질을 벗어나는 것을 의미한다. 만약 빛이 물질 표면에서 …
Source: www.scienceall.com
Date Published: 7/6/2021
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빛의 기본 원리중 빛의특성[반사,흡수,투과,굴절] – 네이버 블로그
빛의 기본 원리중 빛의특성[반사,흡수,투과.굴절] 안녕하세요~ 큐티맘입니다~~~^^ 오늘 새 블로그에 글을 처음 쓰네요~ㅎ
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 12/16/2021
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[6강] 빛의 특성(2) – 시그니파이 코리아 공식 블로그
빛이 물체를 투과할 때, 들어오는 빛 즉 입사광에 대비해 투과된 빛의 비율을 투과율이라고 합니다. 조명갓의 경우 갓을 구성하는 재료의 투과율에 따라 …
Source: blog.signifykorea.com
Date Published: 2/14/2022
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재료의 광학적 물성
a) 빛의 세기: 입사한 빛의 반사, 흡수, 산란 및 투과 정도에 의존 … 빛 투과 (빨강, 주황, 노랑): 저 에너지 영역의 가시광선 c) 세라믹 (루비: 사파이어 (Al2O3) + …
Source: www.cheric.org
Date Published: 1/18/2021
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고려대 연구팀, 빛 투과 원리 규명 < NEWS& < 학계& < 기사본문
고려대는 파장, 편광, 입사각 등 입사조건에 상관없이 빛을 매질 내로 완전히 투과시키는 것은 이제까지 불가능하다고 여겨져 온 광학의 난제였다며, …
Source: www.sanhak.co.kr
Date Published: 9/12/2022
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[칼럼] 빛은 무엇인가? (2) – 빛의 성질에 관하여 – 재독과협
빛의 성질을 자세히 알게된 것은, 이론물리학과 천체물리학의 역사와 함께 … 굴절률이 서로 다른 매질로 빛이 투과할 때 반사와 굴절이 동시에 …
Source: www.vekni.org
Date Published: 1/4/2021
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[무엇이든물어보세요] 빛의 투과 반사 흡수에 대한 정의 外
빛의 투과란 반사와는 반대로 빛이 충돌하는 면을 뚫고 들어가서 진행하는 것을 말한다. 즉 종이나 금속의 반대쪽에서 빛을 쏘았을 경우 빛이 뒤쪽으로 …
Source: www.sedaily.com
Date Published: 3/15/2021
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5-1.빛의 반사율, 투과율, 흡수율 = 방사율 | HEAT-TECH
광원에서 나오는 빛 중 적외선이 물질에 입사하면 물질은 그 광선을 ‘반사’, ‘흡수’, ‘투과’합니다. 흡수한 광선이 분자 결합의 진동수와 맞으면 진동 …
Source: heater.heat-tech.biz
Date Published: 12/23/2022
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빛의 투과·굴절·분산(2015, 고2, 3월)* – 지대기지
빛이 물체에 닿으면 물체를 구성하는 원자 내의 전자가 진동하면서 전자기파를 방출하는데, 인간의 눈에 보이는 빛의 색깔은 방출되는 전자기파의 …
Source: takentext.tistory.com
Date Published: 10/29/2022
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- Author: YTN 사이언스
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- Date Published: 2019. 4. 12.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=n8hoDtjWVtw
투과(transmission)
빛이나 파장이 두께가 있는 어느 물체의 표면에 도달하였을 때, 물질을 완전히 통과하여 그 물질을 벗어나는 것을 의미한다. 만약 빛이 물질 표면에서 통과하지 못하고 다시 되돌아간다면 반사, 통과하지만 물질을 벗어나지 못하는 것을 흡수라고 한다. 빛이나 파장이 투과되는 정도는 물체마다 다르다. 이 정도를 나타내는 고유의 물리량을 투과율이라고 한다. 보통 입사하는 빛/파장의 에너지에 대한 투과되는 빛/파장의 에너지 비율로 나타낸다. 빛이 입사하였을 때 투과, 반사, 흡수 중 하나가 발생하기 때문에 항상 ‘투과율+반사율+흡수율=1’의 공식이 성립한다.
반사(Reflection), 흡수(Absorption), 투과(Transmission)의 3가지로 나뉜다.
빛의 기본 원리중 빛의특성[반사,흡수,투과,굴절]
#투과
유리, 물, 렌즈 등의 물질은 모든 빛을 통과시키는 완전투과를 하지만, 유백색 판, 파라핀 종이,
실크천, 트레이싱 페이퍼 등은 빛을 들어온 상태로 통과시키지 않고 물질의 투명도에 따라
일부분을 반사시키면서 나머지는 확산시켜 통과시키는 확산투과를 합니다.
이러한 성질을 잘 알아 빛의 특성을 살려서 피사체를 조명한다면 그 피사체에 알맞은 자연스럽고
아름다운 영상이나 제작자가 의도하고자 하는 영상을 만들어 낼 수 있답니다.
#굴절
빛은 직진하는 성질을 지니고 있어요~ 하지만 빛이 밀도를 가진 어떤 다른 물체에 부딪힌다면
빛은 굴절하거나 휘게 된다. 가령, 돋보기를 통해 사물을 바라보았을때 상하가 뒤집혀 보인다거나
대야에 발을 담그면 더욱 짧아 보이는 현상도 굴절 때문이라고 합니다~
사람의 눈에서는 수정체가 렌즈 역할을 하는데 이 수정체의 굴절을 카메라에서 응용할 수 있어요~
카메라의 오목렌즈와 볼록렌즈를 조합하면 CCD나 필름에 초점을 정확하게 맺히게 됩니다
또한 빛은 부딪힌 물체의 표면 상태에 따라 굴절되는 각도가 달라지고 일부는 흡수되기 때문에
빛의 양은 그만큼 줄어들게 된답니다. 물체의 형태를 구별할수 있는 것은 빛의 굴절하는
현상 때문이라고 합니다
재미있었나요? ㅋ
[6강] 빛의 특성(2)
안녕하세요? 반갑습니다. 프로페서 B입니다.
바다에 쏟아진 태양빛은 다양한 현상으로 나타납니다. 일부는 바다 표면을 맞고 반사되어 반짝이며 빛나는 해변의 모습을 보여줍니다. 일부의 빛은 바닷속으로 흡수되어 표면의 온도를 높이죠. 또 빛의 일부는 물속을 통과해 바닷속을 환하게 비춰줍니다. 바닷물에 일렁이는 빛을 보고 있노라면 태양으로부터 직선으로 내려오는 빛이 참 다양한 모습으로 변화한다는 사실을 깨닫습니다.
지난 시간에는 첫 번째 빛의 특성인 반사에 대해 알아보았습니다. 오늘은 반사 이외에 다양한 빛의 특성들에 대해 이야기해 보겠습니다.
빛의 흡수 (Absorption)
반사되지 않는 표면에 떨어지는 빛은 흡수되거나 투과됩니다. 투명하지 않은 표면에 떨어진 빛 중에 반사되지 않은 빛은 표면에 흔들리며 흩어집니다. 이는 결국 다른 형태의 에너지로 변환되어 물체에 열을 가합니다. 표면에 흡수되는 빛의 비율은 빛의 입사 각도에 따라 달라집니다. 그리고 물체의 표면이 가지는 성질에 따라 흡수하고 반사시키는 빛의 파장이 달라집니다. 예를 들어 빨간색 표면은 빨간색 빛을 반사하지만 다른 색의 대부분을 흡수하기 때문에 우리 눈에 빨간색으로 보이는 것이지요.
빛의 투과 (Transmission)
Absorption
빛이 떨어지는 재료가 투명성을 가지고 있다면 빛의 일부는 그 재료를 통과합니다. 이것을 빛의 투과라고 합니다. 우리가 유리창처럼 투명한 물체의 반대편을 볼 수 있는 것은 빛의 투과 때문이지요. 맑은 물, 투명한 유리와 같은 물질은 받은 거의 모든 빛을 투과시킵니다. 반대로 종이 한 장과 같이 얇은 필터로 다른 빛들은 흡수하고 파장의 아주 작은 부분만이 투과되도록 만들 수도 있습니다. 이 효과를 기반으로 만들어진 필터를 색상 흡수 필터라고 합니다.
조명갓의 재료의 투과율에 따라 다양한 빛의 형태가 만들어집니다.
빛이 물체를 투과할 때, 들어오는 빛 즉 입사광에 대비해 투과된 빛의 비율을 투과율이라고 합니다. 조명갓의 경우 갓을 구성하는 재료의 투과율에 따라 각기 다른 빛의 형태가 만들어집니다. 또한 빛의 파장에 따라 투과하는 빛이 다르게 나타날 수도 있습니다. 빨간색 투명 재료는 스펙트럼의 빨간색 부분만 투과시키고 나머지 부분은 흡수합니다.
빛의 굴절 (Refraction)
한 광선이 한 매질에서 다른 밀도의 다른 매질로 전달되는 경우, 두 매질이 접한 면에서 빛은 휘어지는 현상을 보입니다. 이 현상을 굴절이라고 합니다. 빛이 통과할 때 빛의 속도의 변화에 따른 매체의 굴절 특성은 ‘굴절 지수(n)’로 표현됩니다. 이 굴절률은 빛의 파장에 따라서 다르게 나타납니다. 예를 들면 입사광의 짧은 파장(예: 청색광)이 긴 파장(예: 적색광)보다 많이 굴절됩니다. 이렇게 각 빛의 파장에 따라 다른 굴절률을 갖음으로 인해 발생하는 현상이 프리즘을 통해 볼 수 있는 무지개입니다. 파장마다 각기 다르게 꺾인 빛이 넓게 펼쳐지면서 나타나는 현상이죠.
또한 굴절은 반사와 마찬가지로 그 각도를 정확하게 계산하는 것이 가능합니다.
이러한 현상은 빛의 형태를 만들고 원하는 곳으로 빛을 보내기 위해 사용되는 렌즈와 거울 등을 설계하는데 중요한 요소가 됩니다.
빛의 간섭 (Interference)
빛은 또 다른 흥미로운 특성은 바로 간섭입니다. 빛의 간섭은 비누거품이나 CD의 표면 위에 있는 화려한 색의 패턴을 통해 접할 수 있습니다.
간섭이란 둘 이상의 파동이 만났을 때, 중첩의 원리에 따라 파장이 더해지면서 나타나는 현상입니다. 위상이 같은 파동이 겹치면 그 세기가 더 강해지는 보강 간섭이 나타나며, 위상이 반대일 경우 파동이 줄어들거나 심지어 소멸되는 상쇄 간섭이 나타납니다. (소멸은 파장의 ¼두께의 층에 의한 간섭에서 나타납니다.) 그리고 우리 눈에는 보강 간섭으로 인해 강해진 빛이 주로 보이게 되는 것이죠.
빛의 간섭은 주로 얇은 막으로 인해 직접 반사되는 빛과 투과되어 반사되는 빛이 중첩되며 발생합니다. 비눗방울이 가장 대표적인 예이지요. 비눗방울의 화려한 색은 비눗방울의 얇은 막은 표면에서 직접 반사되는 빛과, 얇은 막을 투과해 반사되는 빛이 만나 간섭을 일으키면서 만들어지는 현상입니다.
빛의 간섭은 주로 표면에 얇은 코팅을 하는 방식으로 사용됩니다. 이러한 코팅은 비추는 빛과 반사된 빛을 다른 파장으로 만듭니다. 위조지폐 방지 등을 위해 많이 사용되는 홀로그램(광학적 가변 디스플레이) 역시 각도에 따라 보이는 빛의 간섭을 이용한 기술입니다. 또한 TV나 스마트폰에 사용되는 디스플레이의 반사 방지 유리 역시 빛의 간섭을 활용한 기술이 사용됩니다. 이러한 유리는 가시 범위 내에 파장을 가진 빛은 투과되지만, 표면에서는 반사가 일어나지 않도록 도와줍니다.
또한 간섭 감지 기능은 고품질 컬러 필터를 생성하는 데도 사용됩니다. 이러한 필터는 일반 흡수성 컬러 필터보다 정확하고, 유리에 광 흡수가 일어나지 않기 때문에 열이 발생하는 것을 최소화할 수 있습니다. 이는 적외선과 같은 열은 분해하고, 눈에 보이는 가시광선은 투과시키는 기술의 기초가 됩니다. COOL BEAM 할로겐램프와 저압 나트륨램프에 이러한 기술이 사용됩니다.
지난 시간부터 이번 시간까지 두 강의에 걸쳐 빛의 반사에서부터 흡수와 투과, 굴절, 산란과 간섭에 이르기까지 빛의 다양한 특성에 대해 알아보았습니다. 그 특성들을 모아본다면 다음의 그림처럼 정리할 수 있겠습니다.
이제 빛이 어떠한 특성들을 가지고 있는지 대략 감이 잡히셨나요? 다음 시간부터는 이런 빛을 표현하는 다양한 단위와 측정방법에 대해 이야기하도록 하겠습니다. 그럼 다음 시간에 뵙겠습니다.
고려대 연구팀, 빛 투과 원리 규명
고려대학교(총장 염재호)는 물리학과 박규환 교수 연구팀이 모든 빛을 반사 없이 매질 내로 투과시키는 원리를 규명하고 메타물질을 이용해 이를 실험적으로 입증했다고 5일 밝혔다.
박규환 물리학과 교수, 교신저자
고려대는 파장, 편광, 입사각 등 입사조건에 상관없이 빛을 매질 내로 완전히 투과시키는 것은 이제까지 불가능하다고 여겨져 온 광학의 난제였다며, 연구팀은 만능 임피던스 정합 이론을 확립해 가능함을 증명했다고 설명했다.
빛의 반사는 광학의 기본 현상으로, 우리가 눈을 통해 대상을 볼 수 있는 근본 이유다. 그러나 반사는 동시에 빛의 투과율 손실을 의미하므로 렌즈나 태양전지와 같은 광소자의 효율을 떨어뜨리는 걸림돌이 되기도 한다. 그러므로 빛 반사를 효과적 통제하는 것은 광학소자 기술, 에너지 산업, 군사장비 개발 등 다방면의 과학 기술 분야에서 매우 중요한 문제로 꼽혀왔다. 뉴턴이 얇은 막에서 나타나는 빛의 간섭을 관찰한 이래로 간섭을 이용한 반사와 투과 제어는 지난 수세기에 걸친 연구과제였다.
현재 무반사 코팅이나 나방 눈구조와 같이 빛 반사를 줄이기 위한 다양한 기술이 알려져 있지만 이 기술들은 특정 입사각이나 좁은 파장 범위에만 작동되는 한계가 있었다. 빛의 간섭은 파장과 입사각에 따라 달라지기 때문에, 간섭현상을 이용하여 입사조건(입사각, 파장, 편광)에 상관없이 매질내로 빛이 완전히 투과시키는 것은 이제껏 불가능하다고 여겨져 왔다.
박규환 교수는 삼성미래기술육성재단의 공익사업인 한국 과학기술 발전을 위한 기초과학연구지원을 받아 2014년부터 이 난제에 도전했다. 최근 만능 임피던스 정합 이론을 확립함으로써 입사조건에 상관없이 빛의 완전 투과가 가능함을 증명했다. 나아가 연구팀은 메타물질을 이용하면 현실적으로 이 이론을 구현할 수 있음을 마이크로파 실험을 통해 입증했다.
강지훈 물리학과 박사후 연구원,, 공동1저자.
만능 임피던스 정합(Universal Impedance Matching) 이론은 특별한 비국소성(non-locality)을 갖는 매질을 무반사막으로 사용하는 이론이다. 보통 매질은 빛이 닿는 지점에서 그 지점의 빛에만 반응하지만 비국소성 매질은 떨어진 지점의 빛에도 모두 반응을 하는 매질이다. 이 매질은 빛의 입사각에 따라 굴절률이 변할 수 있어서 간섭을 이용하면서도 입사조건에 상관없이 빛의 완전 투과를 가능하게 하는 임피던스 정합이 가능하다. 일반적으로 자연에서 얻어지는 물질은 비국소성이 매우 약하게 나타나기 때문에 만능 임피던스 정합 이론이 요구하는 조건을 충족하기 어렵다.
연구팀은 강한 비국소성을 갖는 물질의 대안으로 물결구조판을 활용한 간단한 형태의 메타물질(metamaterial)을 창안했고 마이크로파 실험을 통해 이론이 옳음을 입증하였다. 이 결과는 네이처 포토닉스 소개기사에서 향후 메타물질 연구의 새로운 방향을 제시한 것이란 평가를 받았다.
19세기 후반부터 본격적으로 시작된 무반사 기술에 대한 연구는 현재 상용화된1/4 파장 무반사막(Quarter-wave anti-reflection coating)에서부터 다층박막형 무반사막, 나방눈(moth-eye)을 모방한 무반사막에 이르기까지 많은 발전을 이루어 왔지만 이들 모두 넓은 범위 파장의 빛을 차단하지 못하거나, 특정 입사각도에서만 작동하거나, 혹은 무반사막이 매우 두꺼워져야 하는 등 한계를 갖고 있다.
임구 물리학과 대학원생 연구생, 공동1저자.
연구팀은 이전 연구에서 파장에 무관한 완전 무반사(anti-reflection)의 기본원리를 일부 밝혀내고 마이크로파 영역에서 매우 얇은 박막을 이용한 무반사 기술을 개발한 바 있다. 이번 연구는 이 방법을 발전시켜 파장만 아니라 편광과 입사각에도 상관없는 가장 일반적인 상황에서 빛 반사를 완전히 차단하고100 퍼센트 투과를 가능하게 하는 새로운 방법을 개발한 것으로, 에너지 효율이 중요시되는 태양전지나 수많은 광학 기기, 혹은 스텔스 같은 군사용 기술에 획기적인 발전을 가져올 것으로 예상된다.
한편, 해당 연구결과는 학술지 ‘네이쳐 포토닉스 (Nature Photonics)’ 에 지난달 26일 온라인 게재됐다. (논문명: Universal impedance matching and the perfect transmission of white light)
[칼럼] 빛은 무엇인가? (2)
다운로드 : 빛2.pdf
빛이란 무엇인가 (2)
Minjae Kim (김민재)
ITAP, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Germany (이론물리 및 천체물리학 연구소, 킬 대학교)
LSW, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Germany (주립 천문대, 하이델베르크 대학교)
빛의 고유 성질
지난 칼럼 “빛이란 무엇인가(1)”에서 설명한대로, 빛은 두 가지 형태로 기술할 수 있습니다. 고전 물리학에서 말하는 빛은 맥스웰 방정식에서 알 수 있듯이 서로 직각을 이루고 있는 전기장(E)과 자기장(M)의 진동으로 이루어지며, 매질에서 항상 일정 속도로 이동하는 전자기파입니다. 이들은 “전기 또는 자기를 띄는 물질이 가속 운동하면 전자기파가 전파된다”고 알려져 있습니다. 이러한 빛은 “파동성”을 띄고 있습니다. 양자역 학에서 말하는 빛은 “파동”뿐 아니라 “입자”로서 이중성을 갖습니다. 이처럼 빛이 “파동”인가 “입자”인가 하는 논란이 끊임없이 계속 되어오면서, 우리는 빛에 관해서 더 자세히 알 수 있었습니다. 빛의 성질을 자세히 알게된 것은, 이론물리학과 천체물리학의 역사와 함께합니다. 이론물리학자들은 에너지를 비롯한 모든 물리량이 양자화 되어 있으며, 모든 물질들이 파동과 입자의 성질을 가지는 원자보다 작은 세상을 탐구 하였고, 반면 천체물리학자들은 상상할 수도 없이 큰 크기의 천체들을 연구하였는데, 한가지 재밌는 사실 은 이들의 탐구 대상은 근본적으로 같았다는 점입니다. 다른 목적으로 같은 물질 “빛”을 연구하면서, 빛의 변하지 않는 고유 특성들을 밝혀냈습니다. 이들의 빛의 연구를 통해서 밝혀낸 그들의 고유 특성은 “직진 성”, “반사”, “굴절”, “분산”, “합성”, “산란”, “간섭”, “회절” 그리고 “편광” 등이었습니다. 이번 칼럼에서 는 9가지 고유 특정에 관하여 알아보도록 하겠습니다.
빛은 직진한다
빛의 가장 기본적인 성질은 직진성입니다. 매질이 없는 진공 중 에서나, 같은 매질내에서 빛은 무조건 직진을 합니다. 의문을 가 지시는 분이 계실겁니다. 아인슈타인은 일반상대성 이론에 근거 하여 무거운 중력등에 의한 빛이 휨을 예측했고, 우리는 이를 “아 인슈타인의 반지”라는 형태로 이미 관측을 했기 때문입니다. 하 지만 이 경우에도 시공간이 휘어질 뿐 빛은 이 휘어진 시공간을 직진한다고 보시면 됩니다. 우리 그림자의 길 이는 태양의 고도에 따라서 달라집니다. 또한 우리는 달이 태양과 지구 사이에 놓여있을때 태양이 가려지는 일식현상이나 태양에 의해 생긴 지구의 그림자 속에 달 이 들어와 결국 달이 보이지 않게 되는 월식현상등을 관측할 수 있습니다. 이들은 모두 빛의 직진성을 증명 하는 자연계의 예시들입니다.
빛은 반사하고 굴절하기에 분산한다 빛이 어떤 물체의 표면에 입사하게 되면 입사한 빛(입사 광선)의 일부분은 반사(반사 광선)하게 됩니다. 입사 광선과 법선이 이루는 각을 입사각, 반사 광선과 법선이 이루는 각을 반사각이라고 하는데, 이 둘의 각도는 항상 같습니다 (반사의 법칙). 만약 매끄러운(예: 거울면)곳에 평행 입사 광선이 도달하면, 반사 광선도 평행 광선이 되는데 이를 정반사라고 부르지만, 사실 자연은 그리 호락 호락하지 않습니다. 거의 모든 물체 표면은 울퉁불퉁하기에, 이러 한 물체에 평행 광선이 비치면 반사 광선은 서로 제 각기의 다른 방향으로 진행하게 됩니다. 하지만 이러한 난반사 덕분에, 우리는 물체를 어느 방향에서나 볼 수 있습니다. 입사각과 반사각은 항상 같지만(반사의 법칙에 의해서), 반사되는 빛의 양은 물질의 특성에 따라 달라집니 다. 빛이 어느 한 매질속에 있다가 다른 매질로 입사하게 되면 (광선이 경계면으로부터 수직이 아닌 각으로 입사하지 않는한) 입사한 빛의 일부는 경계면에서 반사되고 나머지는 새로운 매질 속으로 투과됩니다. 즉, 새로운 매질안에서 빛의 방향이 바뀌게 되는데, 우리는 이러한 현상을 굴절이라 합니다 (그림 2 참조). 굴절 률이 서로 다른 두 매질이 맞닿아 있을 때 매질을 통과하는 빛의 경로는 매질마다 빛의 속도가 다르므로 결국 휘게 됩니다. 그 휜 정도를 빛의 입사 평면 상에서 각도로 표현한 법칙을 스넬 -데카르트의 법칙(la loi de SnellDescartes)이라고 합니다. 빛이 반사하고 굴절하는데에 있어서 두 가지 모두를 수학적으로 나타낸 프레넬 방정식이 있습니다. 굴절률이 서로 다른 매질로 빛이 투과할 때 반사와 굴절이 동시에 일어남을 반사계수와 투과계수 로 나누어 성분을 분석한 방정식이지만, 한편으로 위 방정식은 크게 단순화된 면 이 있습니다. 먼저 입사면을 “균일하고 평평한 평면”으로 가정했으며, 파원 자 체가 한 점이 아닌 직선 또는 평면이기에 파동 자체가 직선이나 평면으로 퍼져나가는 파동 (평면파) 만을 가정했습니다. 더 중요한 점은 바로 빛이 분산을 한다는 사실입니다. 예를 들어서, 프리즘에 의한 빛의 분산(표지 그림 참 조) 혹은 비 온 뒤 하늘에서 볼 수 있는 무지개를 생각할 수 있습니다. 빛의 분산이 일어나는 이유는 간단합 니다. 우리가 볼 수 있는 햇빛중 가시광선은 여러 가지 색이 합성된 백색광인데, 프리즘을 통과하면서 굴절 률이 큰 보라색이 가장 많이 꺾이고(파장이 짧을 수록 굴절률이 큼), 굴절률이 작은 빨간색은 가장 적게 꺾 이기 때문입니다. 즉, 다양한 빛의 다양한 굴절률에 의해서 나누어지게 되고 빛의 분산현상이 일어나게 됩 니다. 빛의 분산은 결국 분광학이라는 한 분야를 만들어 낸만큼 중요한 성질 이기에, 다음 칼럼에서 더 자 세히 다루도록 하겠습니다. 참고로, 빛의 분산과 반대로 두 가지 이상의 단색광이 합쳐져서 다른 색으로 보이는 현상을 우리는 빛의 합 성이라고 부릅니다. 물감의 경우에는 여러 색깔을 섞을수록 검은색에 가까워지는 반면, 빛의 경우에는 정 반대입니다. 섞으면 섞을수록 흰색에 가까워지기 때문입니다. 빛의 합성은 일반적으로 TV, 모니터, 카메라 등 픽셀 단위로 구성된 관측도구에 이용되곤 합니다. 빛은 산란한다 일반적으로 산란(scattering)현상이라 함은, 어떤 매질을 직선 경로로 통과하는 입자들이 (주로 빛이나 소리) “불균일한 입자”를 만나서 그들이 가던 경로를 벗어나는 현상을 가리키는 말입니다. 산란을 일으키는 물질들은 매우 다양한데, 우리가 생각하는 빛도 돌아다니면서 여러물질을 만나고 역시 산란을 합니다. 예를 들어 서 태양에서 나오는 빛이 우리에게 오던 중 큰 미행성을 만나서 산란될 수도 있습니다. 빛(전자기파)의 산란은 크게 탄성 산란과 (레일리 산란 Rayleigh Scattering과 미 산란; Mie Scattering) 비탄성 산란(라만산란; Raman Scattering, 비탄성 Xray 산란, 그리고 컴프턴 산란; Compton Scattering) 총 2가지로 나눌 수 있습니다.
– ”탄성산란이란 빛과 입자가 부딪힐 때 충돌 전후 그들이 충돌하는 계의 운동에너지 총량이 일정한 충돌을 이르는 말입니다. 따라서 비탄성 산란 에 비해 충돌 입자들 사이에서 에너지 교환이 거의 일어나지 않는 산란입니다.”
태양빛이 지구의 대기에 도달하게 되면 자 외선은 성층권의 오존층에서 대부분이 흡수 되어 버립니다. 그외 나머지 빛들은 대 기를 통과해 들어오다가 공기안의 여러 산 소나 질소 분자등의 입자를 만나면 사방으 로 퍼지게 되는데, 이 현상이 대표적인 산 란 현상입니다. 우리가 볼 수 있는 햇빛은 빨간색에서 보 라색까지 모든 빛깔이 섞여 있는 전자기파 의 일종, 즉 가시광선인데 이 가시광선의 파장은 공기중에 풍부한 산소나 질소 분자들 보다 크기가 훨씬 큽 니다. 이 경우(빛의 파장이 만나는 입자들의 크기보다 클때)에는 레일리산란이 일어나게 됩니다. 이 레일리 산란을 수학적으로 표현한다면, 파장의 4제곱에 반비례하는데, 이 때문에 낮에는 짧은 파장의 파란색, 보 라색의 가시광선이 훨씬 더 많이 산란되게 되는데 우리 눈이 파란색에 더 민감하기에 하늘이 파랗게 보입 니다. 저녁 시간이 되면 대기중에서 빛의 이동경로가 길어져서 파란색, 보라색 빛은 이미 산란이다 되어버 리고 남은 붉은 빛이 산란이 되기 시작하여 붉은 노을을 볼 수 있게 됩니다. 가시광선 파장이 공기중의 입 자들보다 크기가 크거나 공기중의 입자들이 가시광선 파장들보다 클 경우 (이경우에는 미산란이 일어납니 다), 하늘은 파란색이 아닐 수도 있습니다.
빛은 간섭하고 회절한다
가장 어렵고 생소한 개념인 빛의 회절현상과 간섭현상은 빛의 파 동성을 보여주는 현상입니다. 회절이 무엇인지 이해하기 위해서 는 먼저 파동의 정의가 무엇인지 알아야 합니다. 파동은 시간과 공간으로 주어지는 한 점에서 정의되는 물리량(시간과 공간의 함 수)이 주기적으로 변하면서, 공간상으로 전파되는 것을 말합니다. 가장 유명한 예로는 음파, 수면파, 그리고 지진파 등이 있고, 이들은 공기, 물, 지각을 매질로 해당 분자들 을 진동시켜서 멀리 전파되는 파동들 입니 다. 파동은 매질의 진동 방향으로는 진폭 과 파동의 진행 방향 1 주기인 파장(λ)의 특성값으로 표현하며, 양의 최대 진폭을 마루, 음의 최저 진폭을 골이라고 표현합 니다. 파의 진행방향과 진동방향이 평행일 때는 종파(예를들면 음파, 지진파의 P파), 수직일 때는 횡파(예를 들면 수면파, 지진 파의 S파)로 정의합니다. 실생활에서 쉽게 찾아볼 수 있는 예를 찾아보면, 호수 위 제자리에서 오르락 내리락 하듯이 움직이는 배를 생각할 수 있습니다 (그림 4 참조). 이는 파의 진행방향과 진 동방향이 수직이기 때문에 일어나는 현상입니다. 우리의 주제인 빛도 진행방향과 진동방향이 수직이기에 바로 횡파입니다. 수면파(2차원 파동)는 호수에 돌을 던졌을 때 발생하는 구면파와 그 원형파가 멀리 퍼져 나갔을 때 마루나 골의 모양이 직선이 되는 평면파로 구분할 수 있습니다. 구면파는 중심에서 멀어질 수록 파의 높이가 줄어들고 시간이 지나면 물의 마찰열로 인한 그들의 에너지 발산으로 다시 고요한 호수의 모 습으로 되돌아갑니다. 평면파의 단면은 1차원 파동인 줄의 파동과 동일한 형상을 가집니다. 음파는 사방으 로 퍼지는 3차원 파동이라고 할 수 있습니다. 즉, 파동의 회절은 파동의 진행방향에 장애물을 만났을 때 파 면이 휘어지는 현상을 말합니다.
지난 칼럼에서 설명한대로 (빛이란 무엇인가 (1), 3페이지) 호이겐스(Christiaan Huygens, 1629~ 1695) 는 파면상의 모든 점들은 작은 파동을 만드는 파동의 근원이라 볼 수 있고, 이들 작은 파동들은 원래 파동 의 전파속도로 전방으로 파급되어 간다는 이론으로 빛의 파동성을 주장했습니다. 이 때 새로운 파면(wave front)은 이들 작은 파면들의 접선으로 이루어지는 포 괄면(envelope)이라 부르는데, 이러한 빛의 파동성 을 2가지 실험으로 확인 할 수 있습니다. 먼저 단일 슬릿실험이 있습니다. 단일 슬릿(구멍이 한개 있는판)에 빛을 쏘아보내서 스크린에 나타나는 무늬를 보면, 가운데는 밝고 점차 옆으로 퍼지면서 흐려지는 모양이 나옵니다. 슬릿을 빠져나간 파면은 무수히 많은 구면파를 형성하게 된다. 나타난 회절 무늬의 간격이 넓을수록 더 넓게 퍼지게 된것이고, 이는 회절이 잘 일어났다고 말합니다. 수학적으로 나타내면, 슬릿의 폭이 좁을수록, 또는 긴 파장일수 록 회절의 세기는 커지게 됩니다. 예를 들어서 빨간색빛은 파란색빛 레이저 보다 파장이 길기 때문에 회절 이 더 잘 일어나고 더 넓게 퍼지게 됩니다. 또한 슬릿과 스크린의 거리가 멀수록 빛의 강도가 셀수록 회절 이 잘 나타납니다. 단일 슬릿을 통과한 빛은 스크린의 가운데 부분(single Gaussian 모양, 그림 5 참조)에 서 강도가 가장 센 걸로 보입니다.
하지만 이 현상은 빛이 파동이 아니라 입자여도 설명이 되는 사항입니다. 이러한 궁금증을 영국의 물리학 자 영 (Thomas Young, 1773~1829)이 이중슬릿 실험을 통하여 풀었습니다. 이중 슬릿(얇고 긴 구멍이 두 개 있는 구조)에 빛을 쏘아보낸다면, 스크린에는 두 개의 단일 슬릿패턴이 합쳐진 모양이 관측될 것으로 예상되었지만, 실험 결과 스크린에 나타난 모양은 예상(단일 슬릿 실험시 관측된 패턴의 합)보다 더 넓고, 밝은 부분과 어두운 부분이 번갈아서 나오게 되었습니다 (그림 6, 7 참조). 두 슬릿을 통과한 파동은 같은 거리를 진행할 경우, 회절된 빛끼리 중첩하게 되기 때문입니다. 같은 위상의 두 파동(마루와 마루 혹은 골 과 골이 만날때)이 중첩될 때의 “보강되는 간섭현상”을 일으키기 때문인데, 이로 인해서 중첩되는 순간 생 기는 파동은 원래의 파동과 진동수는 같고 진폭이 2배가 되어 더 밝은 점처럼 보입니다. 또한 다른 위상의 두 파동(마루와 골이 만날때)이 중첩될 때의 “소멸되는 간섭현상”을 일으키는데, 이로 인해서 중첩되는 순 간 합성파의 진폭이 0이되어서 완전히 상쇄되어서 소멸되어 버립니다. 이처럼 간섭현상(interference)은 파동이 위상을 지니기에 발생하는 현상으로서, 진폭의 보강이나 소멸을 말합니다. 즉, 두 개 이상의 파가 동시에 한 점에 도달했을 때 발생하는 현상인데, 이들의 파가 더 강하게 합쳐지거나 더 약하게 합쳐지는 현상을 말합니다. 또한, 이중 슬릿에 아주 약한 빛을 쏘아 보낸다면 스크린에는 빛의 위치가 점과 같이 하나 씩 표시가 되는데, 이 과정을 계속하면 전체 형태가 파동의 간섭무늬와 같아지는 현상을 볼 수 있게 됩니 다. 이 두가지 간섭의 확인은 수면파를 이용한 결과와 일치하는 것이기에 빛이 파동이라는 확실한 증거가 되었습니다. 빛은 직진하는 성질을 지니고 있다고 했는데, 파동이 장애물의 가장자리에서 휘어져 나오는 회절현상은, 빛의 직진성으로는 설명할 수 없는 현상입니다. 이 회절은 수면파에서도 일어나듯이, 반드시 빛에만 국한 된 현상이 아닙니다. 자연현상에서는 주로 음파에서 발견할 수 있는데, 벽이 있어도 우리는 벽 너머의 소리 를 들을 수 있는 현상도 회절현상중 하나입니다. 앞서서 슬릿의 폭이 좁을수록, 또는 긴 파장일수록 회절의 세기는 커지게 된다고 명시했는데, 이를 직관적으로 이해하기 위해서 우리는 큰 강당의 스피커를 떠올리면 됩니다. 대부분의 강당 스피커는 비슷한 모양입니다. 가로로 길기보다는 세로 길게 생겼습니다. 강당같이 넓은곳에서는 소리가 좌우로 잘 퍼져야 하는데, 따라서 좌우길이는 작게 만들어서 회절이 잘 일어나도록 만든것입니다. 반대로 위아래로는 길게 만들어서 회절이 잘 일어나지 않도록 만들곤 합니다. 한가지 특이 한 점은, 빛을 슬릿에 쏠때, 빛의 파장이 슬릿의 크기 정도가 될 때 회절 현상이 두드러지게 나타난다는 점 입니다. 음파도 파동이기에 마찬가지 입니다. 그렇다면 담장 너머의 사람에게 소리가 회절되어 전달되듯이 빛도 담장을 넘어갈 수 있지 않을까요? 담장 너머로 소리는 회절되지만, 빛이 회절되지 않는 이유는 간단합니다. 우리가 볼 수 있는 대부분의 빛들(가시 광선)은 파장이 아주 짧기 때문에 회절이 일어나기 힘들기 때문입니다. 파장이 짧은 극초단파를 사용하는 TV는 회절이 잘 안되기에 건물등이 많으면 수신상태가 나빠지게 됩니다. 하지만 긴 파장인 라디오파는 원 거리 수신에 아주 유리합니다. 음파의 파장과 슬릿의 크기가 큰 관계가 있는것 처럼, 빛의 파장 역시 슬릿의 크기와 관련이 있다는 점을 알게되면서, 우리는 한 가지 재미있는 사실을 마주할 수 있었습니다. 슬릿을 만약 동그랗게 만들수 있다 면, 이 동그란 틈새 를 통과한 빛은 회절현상 의해 동그란 빛이 아니라 “Airy disk” 라고 불리는 저런 과녁 판 같은 이미지를 형성하게 되는데(그림 8 참조), 우리가 어떤 두 점을 식별할 때 그 두 점에서부터 출발한 빛이 만들어내는 각도가 작아지면 작아질수록 식별하기가 힘들어 집니다. 물체는 멀리 있을수록 눈으로 들어오는 각도가 작아지기 때문에 식별하기 힘든점을 감안하면, 회절한계(diffraction limit)는 그림 9 처럼 Airy disk가 겹치게 되어 더 이상 두 점을 식별 불가능하게 되어 생기게 되는 한계를 말합니다. 이는 Airy disk가 겹친다면, 광학기계로는 식별이 더이상 불가능해진다는 말과도 같습니다. 따라서 우리는 천문학 관 측에 근본적인 한계를 마주할 수 있는데, 바로 회절 한계, 즉, 빛의 회절 때문에 해상도가 흐려지는 현상입 니다. 이러한 현상을 아베의 회절한계(Abbe diffraction limit)라고도 합니다. 위 Airy disk는 다름아닌, 오로지 회절 때문에 생기는 현상이므로 회절을 최대한 일어나지 않게 할 수 있다 면, 분해능 값을 줄일 수 있습니다. 간단히 말해서 파장이 짧을수록 파동성이 나타나지 않기 때문 에, 회절이 줄어들고 결과적으로 Airy disk가 작 아져서 분해능이 좋아질 수 있는것입니다. 하지 만 우리가 직접 볼 수 있는 가시광선은 아무리 짧 아봐야 400nm 정도의 파장을 가지고 있습니다. 이를 수학적으로 계산을 한다면, Airy disk의 지 름은 대략 2.44 x 파장/망원경의 구경 으로 나타 낼 수 있습니다. 즉, 가시광선을 사용하여 물체를 관측한다면, 대략 0.2μm 정도 미만의 물체를 볼 수 없습니다. 생물학에서도 위와 같은 회절한계 를 쉽게 접할 수 있습니다. 현미경으로 관측 할 수 있는 최대 물체 크기 또한 같기 때문입니다. 더 강한 상대가 있어야 내가 강해지는 것처럼 빛의 회절현상은 모든 자연과학의 눈부신 발전을 강제로 이 루게 하는 큰 제한 요소였습니다. 빛은 편광한다 앞서 설명한 대로, 빛은 횡파입니다. 그렇다면 과연 이를 어떻게 알았을까요? 빛의 또 다른 성질이 한 가지를 알게 되면서 과학자 들은 빛이 횡파임을 알게 되었습니다. 더 있습니다. 빛은 전자기 파의 일종이기에, 전기장의 진동면은 진행방향과 수직이고, 자기 장의 진동면 역시 전기장과 진행방향에 수직입니다. 빛은 여러 방 향의 진동면을 가진 많은 빛이 모인 것이며, 따라서 어느 방향으 로나 같은 세기로 진동합니다. 이와 같은 빛을 (비편광된) 자연광이라 합니다. 모든 방향으로 진동하면서 진행하는 자연광과는 다르게 어느 특정한 몇가지 방향으로만 진동하면서 진행하는 빛을 우리는 편광(偏光, Polarization of light)이 라고 합니다. 빛은 여러가 지 이유로 인해서 편광되 곤 하는데, 편광이 일어나 는 정도는 입사각에 따라 다릅니다. 주로 자연광이 유리나 물과 같이 투명한 물체에 입사할 때, 반사광 은 입사 평면에 수직하게 편광되지만, 이는 아주 일 반적인 상황중 하나일 뿐 입니다. 편광되지 않은 빛이 두 광학 물질사이의 반사면에 입사하게될 때, 대부분의 입사각에 대하여 입사된 전기장 벡터 중 입사면에 수직인 성분이 다른 성분들 보다 더 강하게 반사되곤 합니다. 따라서 반사 광은 입사면에 수직으로(반사면에 평행으로) 선평광되곤 합니다. 즉, 유리는 투과광의 전체 적인 세기를 편광되지 않은 빛의 세기 즉 입사 광의 50% 이하로 줄어들게 합니다. 어떤 특정한 방향으로만 진동하는 빛만 통과 시키는 편광판을 만들었을시에, 이 편광판을 사용하여 빛이 횡파임을 깨달을 수 있습니다 (그림 10, 11 참조). 이 광파가 진행 방향에 대해 수직방향으 로 진동하는 횡파라면 편광판을 만들었을시 강제로 빛 편광이 가능할것 입니다. 반면에 진행방향과 진동방 향이 일치하는 종파라면 편광판을 만든다고해서 편광된 빛을 구할 순 없습니다. 따라서 편광성을 띠는 빛 은 횡파임을 알 수 있습니다. 빛을 강제로 편광성을 띠게 만들어주는 필터는 선글라스나 모니터에 널리 사용되고 있습니다. 태양 빛이 수평면으로부터 반사될 때, 입사면은 수직면이 되고, 반사광은 주로 수평 방향으로 편광된 빛을 포함하고 있기에 선글라스 제조업자들은 렌즈 물질의 편광축이 수직이 되도록 만듭니다. 결과적으로 수평 편광 된 빛은 거의 눈으로 들어 오지 못합니다.
References :
– Pictures
표지 그림 : Lucas V. Barbosa
그림 1: Cfcpoland
그림 2: 본인 작성
그림 3: 본인 작성
그림 4: 본인 작성
그림 5: 본인 작성
그림 6: soma0sd.com
그림 7: Wikipedia
그림 8: Gereeacarimek
그림 9: Zeiss
그림 10: 본인 작성
그림 11: 본인 작성
칼럼 설명
빛은 무엇인가 (1): 빛의 본질에 관해서 토론하고 빛이 입자인지 파동인지에 관한 이야기를 다룹니다.
빛은 무엇인가 (2): 빛의 고유 특성인 직진성, 반사, 굴절, 산란, 회절, 간섭, 분산, 합성, 그리고 편광 등에대 해서 다룹니다.
빛은 무엇인가 (3): 빛의 본질중 분산을 이용한 프리즘 및 스펙트럼 그리고 분광기에 관해서 토론합니다.
빛은 무엇인가 (4): 빛의 본질에 관해서 토론하던 물리학자들이 결국 양자역학의 발전을 이끌게 되었는데, 이에 따른 해석과 관점에 관해서 토론합니다.
[무엇이든물어보세요] 빛의 투과 반사 흡수에 대한 정의 外 : 서울경제
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기상현상
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빛의 반사란 반사되는 표면에 대하여 입사파와 반사파가 서로 일정한 같은 각을 가지면서 나가는 현상을 말한다.예를 들어 거울에 사람의 상이 보이는 것처럼 빛이 충돌한 면을 뚫고 들어가지 못하고 충돌하여 다시 들어갈 때와 똑같은 파장과 진동수를 가지며 입사각과 같은 각도의 반사각을 가지며 나오는 현상을 말하는 것이다.빛의 투과란 반사와는 반대로 빛이 충돌하는 면을 뚫고 들어가서 진행하는 것을 말한다. 즉 종이나 금속의 반대쪽에서 빛을 쏘았을 경우 빛이 뒤쪽으로 뚫고 나오는 경우 투과하였다고 말한다.빛의 흡수란 빛이 충돌하는 면의 결정구조나 일정한 분자구조 등 내부의 모습에 대하여 빛의 파동에너지가 입자를 진동시키거나 움직이게 하여 입자의 탄성에너지나 운동에너지로 전환을 시켜서 결국 빛의 에너지는 충돌 면의 입자의 에너지로 전환이 되는 경우 빛은 흡수되었다고 말한다.즉 빛을 쪼였을 경우 표면의 온도가 높아진다면 이 경우는 빛의 에너지를 표면의 입자가 흡수하여 열에너지로 만드는 것이다.일반적으로 열대저기압은 열대해역에서 해수면의 온도가 보통 26℃ 이상이어야 하고, 공기의 소용돌이가 있어야 하므로 적도 부근에서는 발생하지 않으며, 남북 위도 5°이상에서 발생한다.또한 공기가 따뜻하고 공기 중에 수증기가 많고 공기가 매우 불안정해야 한다. 따라서 한국과 극동지방에 영향을 주는 태풍은 북위 5~20°, 동경 110~180°해역에서 연중 발생하며, 주로 7~8월에 많이 발생한다.전세계적으로 연간 발생하는 열대저기압은 평균 80개 정도이며, 이를 발생 해역별로 구분하면 다음과 같다.즉, 북태평양 남서해상에서 발생하는 것은 태풍(30개), 북대서양·카리브해·멕시코만·태평양 동부에서 발생하는 것은 허리케인(hurricane:23개), 인도양과 오스트레일리아 부근 남태평양 해역에서 발생하는 것은 사이클론(cyclone:27개)이라 한다.이 중 오스트레일리아 부근 남태평양 해역에서 발생하는 것을 지역 주민들은 윌리윌리(willy-willy:7개)라고 한다.이와 같이 비교해 보면 세계의 열대저기압 중 약 반수는 태풍이라고 할 수 있다. 1961~90년의 30년간의 통계에 의하면 1967년에 39개로 가장 많이 발생하였고, 1969년 19개로 가장 적게 발생하였다. 또한 1976년에 직접·간접으로 가장 많은 영향을 주었다.관상동맥에 콜레스테롤이 쌓여 심장세포가 부분적으로 죽은 사람에게 심장마비가 올 가능성이 많다고 한다. 평소에는 괜찮다가 왜 충격을 받거나 할 때 심장마비가 오는 것일까?그리고 피를 잘 내보내야 하는 심실이 아닌 심방에 콜레스테롤이 쌓이는 건 심장마비와는 상관이 없을까?뇌에 피가 공급이 안 되는 것이 아니라 심장에 공급이 안되기 때문이다. 관상동맥에 콜레스테롤이 쌓이게 되면 혈류량이 적어지게 되고 그에 따라 관상동맥을 통해서 심근에 공급되는 양분과 산소의 양이 적어진다.따라서 부분에 따라 심근세포가 죽게 되는데 이것을 심근경색이라고 한다. 심근경색이 되면 심장의 펌프기능이 떨어지므로 심장마비의 가능성이 커질 것 같다.그리고 관상동맥에 콜레스테롤이 쌓이면 그 부분이 좁아지게 되는데 충격을 받거나 하면 교감신경이 흥분해서 일시적으로 혈류량이 증가하고 혈압이 높아진다.그럴 때 관상동맥이 파열되거나 해서 심장마비가 되는 것이다. 그리고 심방의 경우에는 수축했을 때 심실로 내려보내는 것이고 심실의 경우 수축했을 때 동맥으로 밀어보내야 하기 때문에 심방에 문제가 생기는 것은 심장마비와는 별로 관계가 없는 듯 하다.
5-1.빛의 반사율, 투과율, 흡수율 = 방사율
모든 물질은 매우 작은 입자로 구성되어 있습니다. 그 물질을 구성하는 분자는 온도에 따라 다른 분자 운동을 합니다. 분자는 일부 원자가 화학 결합에 의해 결합되어 있어 각도 고유의 진동수를 가지고 있습니다.보통 결합 진동의 주파수에 공명하는 빛은 분자 운동을 높이고 물질의 온도를 상승시킵니다.이것은 지진 건물의 흔들림과 비슷합니다. 의 주기와 건물의 고유 주기가 맞으면 건물의 흔들림이 강해집니다.
적외선은 0.78μm에서 1mm까지 가시광선보다 긴 파장을 가진 광선입니다. 광원에서 나오는 빛 중 적외선이 물질에 입사하면 물질은 그 광선을 ‘반사’, ‘흡수’, ‘투과’합니다. 흡수한 광선이 분자 결합의 진동수와 맞으면 진동을 크게 합니다. 분자는 항상 진동하고, 이 진동은 열에너지 자체이므로 진동이 커짐에 따라 열에너지도 커집니다.
어느 면에 입사한 에너지의 반사율과 투과율과 흡수율의 합계는 반드시 1이 됩니다.
반사율(ρ)+투과율(τ)+흡수율(α)=1(입사광)
에너지 보존의 법칙과 같이, 변환 전의 에너지와 변환 후의 에너지의 총량은 항상 불변이기 때문입니다.
대부분의 물체는 불투명한 물체이기 때문에 투과율(τ)=0이 되어 반사율과 흡수율만이 됩니다.
반사율(ρ)+흡수율(α)=1(입사광)
키르히호프의 법칙에 따라 열역학적 평형시 흡수율 ελ=방사율 αλ가 됩니다.따라서 흡수율이 높은 물질은 방사율도 높습니다.
모든 물체는 절대 온도에 따라 모든 파장의 전자기파를 방출합니다. 이 전자파가 다른 물체에 흡수되면 열에너지로 바뀌고 물체의 온도가 상승합니다. 이 전자파 중 열방사의 파장은 약 λ0.4μm(가시)~λ100μm(원적외선)의 범위입니다. 물체의 열 방사는 표면 온도와 표면 상태에 따라 달라집니다. 연마된 표면보다도 요철이 있는 거친 표면이 흡수율이 좋습니다.
빛의 투과·굴절·분산(2015, 고2, 3월)*
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빛이 물체에 닿으면 물체를 구성하는 원자 내의 전자가 진동하면서 전자기파를 방출하는데, 인간의 눈에 보이는 빛의 색깔은 방출되는 전자기파의 고유한 진동수에 따라 결정된다. 인간의 눈에 보이는 가시광선 중 가장 낮은 진동수의 빛은 빨간색 광선이며, 진동수가 가장 높은 빛은 보라색 광선이다. 보라색 광선보다 더 높은 진동수를 지닌 자외선이나, 빨간색 광선보다 더 낮은 진동수를 지닌 적외선은 인간의 눈에 보이지 않는다. 빛이 물체에 닿을 때, 물체는 흡수한 빛 중에서 특정 진동수의 가시광선을 우리 눈의 방향으로 다시 방출하여 우리 눈은 그 방출된 빛을 보게 된다. 장미가 빨갛게 보이는 이유는 장미가 흡수한 빛 중에서 빨간색 광선에 해당하는 진동수의 빛을 우리 눈의 방향으로 방출하기 때문이다.
그렇다면 유리와 같은 투명체는 왜 특정 색깔을 띠지 않고 투명해 보이는 것일까? 인간의 눈에는 빛이 직진하여 그대로 유리를 통과하는 것처럼 보이지만, 실제로는 그렇지 않다. 즉 유리를 구성하는 원자가 흡수한 빛 가운데, 적외선과 자외선은 유리에 대부분 흡수되어 열에너지의 형태로 남고, 가시광선 영역에 해당하는 대부분은 사방으로 재방출된다. 유리가 투명해 보이는 이유는 이 때문이다.
그런데 유리 원자가 가시광선을 흡수했다가 방출하기까지는 약간의 시간이 소요되며, 소요된 시간만큼 빛의 속력이 줄어들게 된다. 공기 중에서의 빛의 속력의 값을 c로 놓을 때, 유리 나 물과 같은 투명체를 통과하는 빛의 속력은 c의 대략 70%에 불과하다. 이렇게 느려진 빛은 다시 공기 중으로 나오면서 원래의 속력을 회복하게 된다. 빛의 속력은 매질의 밀도가 높을수록 낮아지는데, 공기 중보다 유리에서 빛의 속력이 낮아지는 것은 유리의 밀도가 공기의 밀도보다 높기 때문이다.
빛이 이렇게 물질마다 다른 속력으로 진행하기 때문에, 다른 물질의 경계면에 닿았을 때 수직으로 진행하는 경우를 제외하면 언제나 빛의 경로가 꺾이게 된다. 이러한 현상을 굴절이라고 한다. 굴절 현상을 이해하기 위해, 매끈한 아스팔트에서 바퀴가 잘 구르지 않는 잔디밭으로 장난감 자동차가 비스듬히 들어가는 경우를 생각해 보자. 잔디에 먼저 도착한 쪽의 바퀴의 속력은 느려지지만 아스팔트 위를 달리고 있는 쪽의 바퀴의 속력은 빠르게 유지되기 때문에 자동차의 진행 방향은 잔디에 먼저 도착한 쪽의 바퀴가 있는 방향으로 꺾이게 된다. 빛이 공기 중에서 물로 비스듬히 들어갈 때에도, 빛의 파면 * 의 아랫부분이 물에 먼저 도착하여 속력이 느려지면서 빛이 파면의 아랫부분으로 꺾이게 된다.
또한 빛이 투명체를 지날 때 굴절되면서 진동수에 따라 다양한 광선으로 분리되는데, 이를 빛의 분산이라고 한다. 빛이 공기 중에서 투명체로 비스듬히 들어갈 때, 진동수가 높은 보라색 광선은 진동수가 낮은 빨간색 광선보다 투명체 안에서의 속력이 더 느려지기 때문에, 더 많이 굴절된다. 이에 따라 투명체를 통과하는 빛은 서로 다른 색깔의 광선으로 나뉘어 각기 다른 진행 경로로 방출된다.
* 빛의 파면 : 빛을 파동으로 보았을 때 빛의 진행 방향과 수직인 면. 본래 파면은 곡선이나 태양과 거리가 먼 지구에서의 빛의 파면은 거의 직선이다.
― 김인묵 외, 『수학 없는 과학』
28. 윗글에서 다룬 내용이 아닌 것은?
① 자외선이 유리에 흡수되는 이유
② 빛의 색깔에 따른 진동수의 차이
③ 빛의 진행 과정에서 일어나는 현상
④ 유리와 같은 물체가 투명하게 보이는 이유
⑤ 투명체를 통과할 때 빛의 속력이 감소하는 이유
29. <보기>의 현상이 나타나는 원인과 가장 관련이 깊은 것은?
< 보 기 > 투명한 연못 속의 금붕어를 물가에 서서 비스듬히 내려다 볼 때, 관찰자의 눈에는 금붕어가 본래의 위치보다 수면에 가까이 있는 것처럼 보인다. 이는 금붕어에 닿은 빛이 되돌아와 우리 눈에 보이는 과정에서 일어난 현상이다.
① 밀도가 다른 매질에서 빛의 속력이 변함.
② 빛이 수면과 수직 방향으로 들어가고 나옴.
③ 가시광선이 물속에서 빠른 속력으로 직진함.
④ 물이 특정 색의 가시광선만 흡수했다 방출함.
⑤ 빛이 진동수에 따라 여러 빛깔의 광선으로 분리됨.
30. 윗글을 읽고 <보기>의 그림에 대해 설명한 내용으로 적절한 것은? [3점]
① ⓐ와 ⓓ의 속력은 다르다.
② ⓐ ~ ⓔ 중, ⓒ의 속력이 가장 느리다.
③ ⓐ와 ⓔ에는 자외선이 들어 있지 않다.
④ ⓑ의 진동수는 ⓒ의 진동수보다 높다.
⑤ ⓑ와 ⓔ의 진동수는 같다.
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