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[궁금한 S] 빛의 물리학…빛의 성질에 대한 이야기

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 '궁금한 S' 시간입니다.

비 온 후에 하늘에 떠 있는 무지개를 본 적 있으시죠? 무지개는 공기 속 물방울 입자가 태양광을 분산이나 굴절시키며 일어나는 자연 현상인데요.

이처럼 빛은 여러 가지 성질을 갖고 있습니다. 대표적인 빛의 성질은 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 우리에게 정말 많은 것을 선사해 주었습니다. 인류는 빛을 통해 이룩한 과학지식 덕분에, 우리의 일상 속 궁금증은 물론 폭넓은 과학의 지평으로 도달할 수 있었죠. 등불을 통해 빛의 속도를 재려고 했던 갈릴레오 갈릴레이나 2년 동안 빛에만 몰두하다가 실명할 뻔했던 뉴턴 등, 빛은 오래전부터 과학자들의 탐구 대상이었습니다. 인류의 호기심의 대표주자였던 대상인 빛! 과연 빛은 어떠한 성질을 가지고 있을까요? 그 궁금증에 대해, 궁금한 S와 함께 알아보도록 하겠습니다.

오늘날의 과학에서의 빛은 전자기파의 모든 영역을 지칭할 때 사용되기도 하지만, 일상 속에서의 빛은 '눈으로 볼 수 있는 영역의 전자기파'를 의미합니다. 그래서 이들을 Visible light, 가시광선이라고 부르고 있죠. 가시광선의 파장은 약 400nm의 violet, 보라색 영역으로부터 약 700nm 근방의 Red, 즉 적색 영역까지 다양하게 지니고 있습니다.

빛의 성질을 알아보기에 앞서 전자기파가 가지는 일반적인 성질인 '파동'이 가지는 성질을 간단하게 알아보도록 할까요? 파동이란 진동이 만들어내는 에너지가 매질을 통해 퍼져나가는 것으로, 물결의 진동이 퍼져나가는 파동인 파도나, 공기분자의 진동이 만드는 소리, 땅의 진동 에너지가 퍼져나가는 지진 등을 일상 속에서 찾아볼 수 있는 파동의 대표적인 예라고 할 수 있어요. 앞선 설명처럼 대부분의 파동은 매질을 필요로 하는 특징을 가지고 있어서 매질과 매질 사이의 연결고리, 즉 매질이 빽빽하게 밀집되어 있을수록 파동이 빠르게 전달된다는 특징을 가지고 있습니다.

예를 들어, 공기 중에서보다 물속에서의 소리의 속도가 훨씬 빠르게 전달되는 이유라든지, 기차가 다가오는 소리를 선로에 귀를 기울이면 훨씬 빨리 알아챌 수 있는 것도 바로 이런 파동의 성질 때문이죠.

하지만 전자기파는 매질이 필요 없는 파동입니다. 빛도 전자기파 중 하나이기 때문에 빽빽한 매질 속으로 빛이 들어가면, 매질 속의 빽빽한 입자가 빛의 진동을 방해해서 빛의 속도가 느려지게 됩니다.

그런데 재미있는 것은, 매질이 변한 순간 발생하는 이러한 속도의 차이 때문에 자신의 원래 진행 방향보다 진행 면에 수직인 선의 안쪽으로 꺾이게 되는 현상이 발생하게 된다는 것인데요, 이것이 바로 우리가 주변에서 흔히 관찰할 수 있는 현상인 '빛의 굴절 현상'입니다.

빛이 빽빽한 매질, 즉 밀한 매질로 들어가게 되어 속도가 느려지게 되면 수직인 선의 안쪽으로 꺾이게 되고, 반대로 느슨한 매질 즉 소한 매질로 들어가게 되면 수직인 선의 바깥쪽으로 꺾이게 되는 관찰하기 쉬운 아주 단순한 현상이지요.

그렇다면 매질이 바뀌게 되었을 때 빛은 대체 얼마큼 꺾이게 되는 것일까요?

그 값을 수치로 나타낸 것을 '굴절률'이라고 합니다. 굴절률은 파장이 짧으면 짧을수록, 다시 말해 진동수가 크면 클수록 크게 나타납니다.
빛은 매질을 통과할 때 파장이 짧으면 짧을수록 매질로부터 상대적으로 더 많은 방해를 받게 됩니다. 이 때문에 빛의 속도는 매질이 없을 때와 비교하여 상대적으로 줄어들게 되고, 그 결과 진로는 더 많이 꺾이게 됩니다. 이러한 차이 때문에 빛의 파장에 따라 조금씩 꺾이는 정도의 차이가 발생하게 되고, 이 때문에 다양한 진동수의 빛이 촤라락 펼쳐지는 이러한 현상을 빛의 분산이라고 부릅니다. 이를 우리가 눈으로 확인할 수 있는 가장 간단한 실험장치가 바로 프리즘인 것이죠.

한편 일부 빛은 변한 매질 속으로 들어가지 못하고 매질의 경계면에서 들어간 빛줄기와 같은 각도로 튕겨져 나오게 되는데요, 이러한 현상을 빛의 반사라고 부릅니다.

이러한 반사는 매질이 변하는 경계면뿐만 아니라 물체의 표면에서도 일어나게 되며, 우리가 물체를 빛을 통해 볼 수 있는 이유도 물체의 표면이 빛을 사방으로 반사해 반사된 빛이 우리 눈으로 들어오기 때문이라는 것! 알고 계시죠?

그런데 여러분! 빛의 굴절과 반사를 이용해서 특정한 조건을 만들면 우리는 빛을 매질 속에 가둬둘 수 있다는 걸 알고 계셨나요? 이 특정한 조건이라는 건 무엇일까요?

정답은 바로 '전반사'입니다. 전반사란 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 빛이 진행할 때 어느 각도 이상에서는 빛이 진행하지 않고 물질의 경계면에서 모두 반사되는 현상입니다.

예를 들어 물속에서 물고기를 수중 촬영하다 보면 물 경계 표면이 마치 거울처럼 보이는 모습을 볼 수 있습니다. 물속에서 반사된 빛이 물 경계를 빠져나가지 못하고, 전부 카메라에 담겨 마치 거울처럼 보이는 것이죠.

이런 전반사가 일어날 수 있는 입사각의 최솟값을, 우리는 '임계각도'라고 부릅니다.

이 때문에 빛은 임계각도보다 큰 입사각도로는 매질 밖으로 벗어날 수 없다는 특징을 갖게 됩니다. 이 성질을 이용해 섬유의 중심에 Core라고 불리는, 굴절률이 높은 성분으로 구성하고 그 주변부를 Cladding이라고 하는, 굴절률이 Core보다 낮은 성분으로 구성한 뒤 정보를 담은 빛을 Core 안쪽으로 쏘아주며 전반사를 통해 정보의 손실 없이 빠르고 안정적인 통신을 가능하게 한 것이 바로 광통신의 원리랍니다. 현재 우리가 유용하게 이용 중인 광랜의 기본 원리가 되는 것이죠.

오늘은 빛의 성질 중 반사와 굴절, 그리고 그러한 성질을 이용한 발명품들에 대해 함께 알아보았습니다. 하지만 빛은 이외에도 더 많은 특성을 가지고 있습니다. 과연, 미처 소개하지 못한, 빛의 다양한 특성들은 무엇이 있을까요?

여러분들이 한 번 공부해보는 것도 재미있는 방법일 것 같습니다. 그럼 '궁금한 S'도 이만 인사드릴게요.

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 YTN 사이언스 유튜브에 글을 남겨주세요. 이상 '궁금한 S'였습니다!
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