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1. 일상 속 빛의 성질 관찰
1.1. 반사와 굴절
빛은 한 매질로부터 다른 매질로 입사할 때, 입사한 빛의 일부는 경계면에서 반사되고 나머지는 새로운 매질 속으로 투과된다. 이때 빛이 새로운 매질로 입사하면서 속력이 바뀌어서 휘는 현상을 굴절이라 한다.
빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 그 매질에 따라 빛의 속도가 달라지게 된다. 빛의 속도는 진공에서의 속도 c가 최대이며, 매질 내에서는 c보다 작은 속도 v로 진행하게 된다. 이때 두 매질 사이의 속도 차이로 인해 빛이 휘는 현상이 발생하는데, 이를 굴절이라고 한다.
굴절의 정도는 매질에 따른 굴절률 n에 의해 결정된다. 굴절률 n은 진공에서의 광속 c와 매질 내에서의 광속 v의 비율로 정의되며, n = c/v로 표현된다. 굴절률이 큰 매질일수록 빛의 속도는 작아지게 되어 더 큰 굴절이 일어나게 된다.
경계면에서의 입사각과 굴절각의 관계는 스넬의 법칙에 의해 다음과 같이 표현된다.
sin(i) / sin(r) = n2 / n1
여기서 i는 입사각, r은 굴절각, n1과 n2는 각각 입사 매질과 굴절 매질의 굴절률을 나타낸다. 이 법칙에 따르면 입사각이 증가할수록 굴절각도 증가하게 된다.
한편 빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 입사할 때, 입사각이 특정한 임계각보다 커지면 굴절된 빛이 없어지고 모든 빛이 반사되는 전반사 현상이 일어난다. 이러한 전반사 현상은 광통신 기술의 기반이 되는 중요한 물리적 원리이다.
1.2. 전반사
진행파가 진행 중인 매질과는 다른 매질 또는 불연속적인 변화가 있는 경계면에 부딪쳐 방향이 바뀌어 원래의 매질 속의 새로운 방향으로 진행하는 현상을 "전반사"라 한다. 전반사는 파동이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 입사될 때 일어나는 현상이다. 파동에 의해 경계면에서 일어나는 전반사에는 다음과 같은 법칙이 성립한다.
즉, 입사광선과 반사광선은 경계면의 법선과 같은 평면 안에 있게 되고 입사각과 반사각은 같다. 이를 반사의 법칙이라 부르며, 입사각을 θi, 반사각을 θr이라 하면 θi = θr의 관계가 성립한다.
그런데 파동이 평탄한 경계면을 넘어서 원래의 매질과는 다른 매질 속으로 들어갈 때, 동일 매질이라도 온도차 등에 의해서 파동의 속도가 변하여 진행방향이 달라지는 현상을 "굴절"이라 한다. 이러한 굴절에 관해서는 스넬의 법칙이 성립하는데, 입사각을 θi, 굴절각을 θr, 입사되는 매질의 굴절률을 n1, 투과되는 매질의 굴절률을 n2라 하면 다음의 관계가 성립한다.
n1sinθi = n2sinθr
이때, 매질의 굴절률이 변할수록 입사각과 굴절각의 차이가 커지게 되어 최종적으로 전반사가 일어나게 된다. 즉, 입사각이 특정 "임계각" 이상이 되면 투과파가 발생하지 않고 모든 빛이 반사하게 되는데, 이를 전반사라고 한다.
이와 같은 전반사 현상은 실생활에서 다양하게 관찰할 수 있다. 가장 대표적인 예로는 광섬유 통신에서의 활용을 들 수 있다. 광섬유는 코어와 클래딩이라는 두 개의 층으로 이루어져 있는데, 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 크기 때문에 광신호가 코어 내부에서 전반사를 하면서 손실 없이 먼 거리를 전달할 수 있다. 이처럼 전반사 현상은 광통신, 현미경 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
1.3. 분산
태양광선(백색광)을 프리즘을 통과시켜 보면 빨·주·노·초·파·남·보라의 여러 가지 색광으로 나뉜다. 이러한 현상을 빛의 분산이라 한다. 빛의 분산은 빛의 색에 따라 매질에서 진행하는 속력이 달라서 생겨난다.
빛은 통과하는 매질의 종류에 따라 굴절의 정도가 다르다. 이를 나타낸 수치를 굴절률이라 하고, n이라는 기호로 표시한다. 굴절률은 매질에서의 광속에 대한 진공에서의 광속의 비율로 정의된다. 여기서 v는 매질 속에서의 빛의 속도를 의미한다. 이 식으로부터 굴절률이 클수록 매질에서의 속도는 작으며, 굴절률이 작을수록 매질에서의 속도는 크다는 것을 알 수 있다.
또한 광속과 파장의 관계로부터 굴절이 일어날 때 빛의 진동수는 일정하게 유지되므로, 파장이 길수록 속력은 빨라진다는 것을 알 수 있다. 따라서 빛의 파장이 길수록 굴절률은 작아진다는 것을 알 수 있다. 따라서 보라색 보다 파장이 긴 빨간색 빛의 굴절률이 더 작아 프리즘을 통과할 때 덜 꺾이고, 보라색은 파장이 길어서 굴절률이 크기 때문에 더 많이 꺾이게 되면서 백색광이 무지개 빛으로 분산되게 된다.
우리 주변에서 찾아볼 수 있는 분산현상으로는 무지개가 있다. 한쪽에는 비가 오고 한 쪽에는 태양 빛이 비칠 때 태양을 등지고 바라보면 반원형의 무지개를 볼 수 있다. 지면이 방해하지 않는 하늘에서는 완전한 원형의 무지개도 관찰할 수 있다. 이런 무지개의 아름다운 빛깔들은 프리즘의 역할을 하는 수천개의 작은 물방울들에 의해 생겨난다. 보라색 빛은 빨간색 빛에 비해 굴절률이 크므로 같은 입사각으로 입사하였을 때 더 큰 굴절각으로 물방울에 입사하게 된다. 이렇게 입사하게 된 빛은 물방울 속에서 한번 반사된 후 물방울과 공기의 경계에서 다시 굴절되어 눈으로 들어오게 된다. 따라서 태양을 등지고 있어야 무지개를 관찰할 수 있다.
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