일상 속 빛의 성질 관찰학번: 30121 이름: 조유진일상 속 빛의 성질 관찰을 주제로 하게 된 이유는 빛은 정말 다양한 성질을 가지고 있고 우리는 모든 물체를 그 물체에서 반사된 빛으로 본다. 따라서 일상생활 속 빛의 성질을 관찰할 수 있는 예를 들라고 한다면 우리가 볼 수 있는 모든 것을 예로 들 수 있을 것이라고 생각을 하게 되었고 그러게 생각하니 반사되는 물체가 없는 것 같아 보이는 하늘은 왜 파란색인지 궁금해져서 왜 그런 지와 더불어 빛의 성질과 다른 예시를 찾아 보고서를 쓰게 되었다.1) 반사/굴절빛이 한 매질로부터 다른 매질로 입사하면 입사한 빛의 일부는 경계면에서 반사되고 나머지는 새로운 매질 속으로 투과된다. 이때 빛이 새로운 매질로 입사하면서 속력이 바뀌어서 휘는 현상을 굴절이라 한다.(그림1) 전반사그런데 (그림1)처럼 빛의 입사각이 특정한 임계각보다 커지면 굴절없이 빛을 모두 반사하는 전반사가 일어나게 된다. 이때 전반사는 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 입사할 때만 일어난다. 우리는 이러한 빛의 성질을 광섬유에서 관찰할 수 있다.(사진1)광섬유 (그림2) 광섬유의 구조꽃다발에 보면 (사진1)과 같은 것이 종종 꽂혀 있다. 이것이 광섬유이다. 광섬유는 (사진2)처럼 굴절률이 큰 코어와 굴절률이 작은 클래딩으로 이루어져 있어 코어에서 빛이 진행할 때 클래딩을 투과하지 못하고 전반사 된다. 이러한 방식으로 우리는 빛을 전달할 수 있고 우리가 전달할 신호를 광신호로 바꾸어서 전달한다면 광섬유는 통신의 역할도 할 수 있게 된다. 이것을 광통신이라고 한다.2) 분산태양광선(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 커진다는 것을 알 수 있다. 여기에 더해서, 광속과 파장의 관계로부터굴절이 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.(사진2) 원형의 무지개 (그림3)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 (사진2)처럼 완전한 원형의 무지개도 관찰할 수 있다. 이런 무지개의 아름다운 빛깔들은 프리즘의 역할을 하는 수천개의 작은 물방울들에 의해 생겨난다(그림2). 보라색 빛은 빨간색 빛에 비해 굴절률이 크므로 같은 Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%85%EC%82%AC%EA%B0%81" o "입사각" 입사각으로 입사하였을 때 더 큰 Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=%EA%B5%B4%EC%A0%88%EA%B0%81&action=edit&redlink=1" o "굴절각 (없는 문서)" 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.(그림4)이때 모든 물방울이 빛을 분산시키지만 우리는 한 물방울에 한 가지색 밖에 볼 수 없다. 왜냐하면 (그림3)과 같이 빨간빛은 태양광과 분산된 빛이 42도일 때만 보이고 보라빛은 태양광과 분산된 빛이 40도일 때만 보이기 때문이다. 따라서 한 물방울에서 나온 보라빛이 눈에 들어왔다면 같은 물방울에서 나온 빨간색 빛은 보는 사람의 눈이 아닌 몸이나 다리 쪽으로 향할 것이기 때문에 우리는 한 물방울에서 한가지 색만 볼 수 있는 것이다.무지개는 2차원 모양일까 입체일까? 우리는 무지개의 옆면을 본 사실은 없는데 과연 이것이 무지개가 2차원 모양이라서 그럴까?(그림5) 무지개의 모양사실 무지개의 모양은 꼭짓점이 관찰자의 눈에 있는 3차원 원뿔 모양이다. 우리 눈은 종종 멀리있는 물체의 원근감을 못 느끼는데 무지개가 그 예시이다. 또 무지개는 보는 사람의 시선이 움직이면 같이 움직이기 때문에 우리는 무지개의 옆면이나 뒷면을 결코 볼 수 없으며 무지개의 끝에 도 도달할 수 없다. 따라서 항상 무지개는 2차원 반원형 모양으로 우리 눈에 들어오게 된다.3) 산란빛이 그의 파장보다 작은 입자를 만날 경우, 빛은 모든 방향으로 산란된다. 그래서 햇빛은 대기를 통과해 들어오다가 여러 가지 공기 등의 입자를 만나면 사방으로 퍼지게 된다. 레일리 산란 이론에 의하면산란하는 정도는 파장의 4제곱에 반비례하게 된다. 따라서 파장이 짧은 푸른계열의 빛이 더 산란이 잘되는 것이다. 낮에는 산란이 많이 되는 색의 빛이 우리 눈에 더 많이 들어오기 때문에 하늘색을 파랗다고 느끼게 된다. 그래서 평상시의 맑은 하늘은 파랗게 보인다(그림6) 태양의 고도에 따른 통과 대기층의 길이그런데 저녁 무렵이 되면 태양의 고도가 낮아지는데 태양의 고도가 낮아지면 태양빛의 기울기가 작아져 통과해야 하는 대기층이 길어진다. 그러면 파장이 짧고 산란하는 각도가 작은 파란빛은 먼저 다 산란되어 대기층을 통과하지 못하고 파장이 길고 산란하는 각도가 큰 빨간빛만이 대기층을 통과하기 때문에 노을이 붉게 보이는 것이다.
