[물리] 광학

광학

광학은 빛을 연구하는 학문으로 빛이 가지고 있는 독특한 성질을 다룬다.

목차
> 빛의 종류
> 광학 연구의 역사
    -고대
    -다 빈치와 초기 광학
    -뉴턴 광학
    -빛의 파동성
    -마이컬슨-몰리 실험과 상대성이론
> 빛의 성질
    -빛의 이중성
    -전자기파로서의 빛
    -반사, 굴절, 전반사 편광
> 빛의 물리량
    -광속
    -에너지
    -세기

• 빛의 종류
  빛은 전자기파로서 파장과 진동수에 따라 분류된다.

 전자기파 중에 적외선, 가시광선, 자외선을 통칭하여 빛으로 분류한다. 적외선은 가시광선의 적색 영역 바깥에 있어서 우리 눈에는 보이지 않는다. 빛 중에서 비교적 적은 에너지를 열로써 전달하기 때문에 열선이라고도 불린다. 모든 물체는 절대온도(K)가 0이 되지 않는 이상 적외선을 방출한다. 가시광선은 형광등, LED와 같은 곳에서 방출되며 우리 눈으로 볼 수 있는 무지개 색깔이 가시광선에 해당한다. 자외선은 파장이 짧은 빛이어서 우리 눈으로 볼 수 없고 진동수와 에너지가 큰 편이다. 빛보다 파장이 길고 진동수가 작은 마이크로파와 라디오파는 전자레인지, 통신 등 여러 전자기기에 활용된다. 빛보다 파장이 짧고 진동수가 큰 X-ray 등의 전자기파는 의료용 방사선으로 활용된다. X-ray보다 파장이 더 짧은 전자기파는 우주 방사선으로 분류된다.

 

• 광학 연구의 역사

1. 고대 
 고대에는 그리스 철학자로부터 빛의 연구가 시작되었다. 그중 유클리드는 빛의 직진성과 반사법칙을 연구했고 프톨레마이오스는 다양한 매질 속에서 빛의 입사각과 굴절각을 연구했다. 이븐 알하이삼은 <광학의 서>를 통해 빛의 성질을 탐구했다. 고대 그리스 학자들이 빛의 성질(반사와 굴절)은 광원이 결정한다고 주장했으나 알하이삼은 빛의 성질이 광원과 무관하다고 여겼다. 이 생각을 바탕으로 거울과 렌즈를 통해 빛의 직진성, 반사, 굴절 등을 연구했다. <광학의 서>에는 인간이 물체를 보는 원리도 설명되어있다. 빛이 물체에 반사되어 눈으로 들어오고 눈의 특정 구조에 상이 맺히는 것을 최초로 밝혀냈다.

2. 다 빈치와 초기 광학
 다 빈치와 그 전후로 기초적 단계의 광학이 발전했다. 다 빈치는 물리적 관점과 예술적 관점에서 빛을 탐구해 나갔다. 물리적으로는 물결이 퍼져나가듯 빛도 파동으로 전달된다고 생각했다. 빛은 위아래의 방향을 가진 파동, 즉 횡파임을 밝혀낸 것이다. 또한 빛을 예술에 활용하는 방안도 연구했다. 수정체와 같은 눈의 구조를 해부학적으로 파악하여 인간이 빛을 받아들이는 방식을 알아내었고 원근법을 연구하여 거리에 따른 그리고 사람의 시선에 따른 빛의 특성들을 그림에 적용했다. 한편 갈릴레이 갈릴레오는 망원경을 사용하여 천체를 관측했고 케플러는 거리에 따른 별의 밝기를 역제곱의 법칙을 들어 설명하는 등 천체를 중심으로 광학 연구가 진행되었다. 이와 비슷한 시기에 스넬은 굴절률에 관한 법칙, 스넬의 법칙을 만들었다.

3. 뉴턴 광학
 뉴턴은 프리즘을 중심으로 빛의 입자성, 굴절, 망원경의 원리 등을 연구했다. 프리즘에 빛을 비춰 스펙트럼이 나타나는 것을 관찰했다. 빛 입자들이 프리즘을 통과하면서 발생한 회전 속도의 차이가 백색광을 변형시켰다고 생각했다. 이에 따라 뉴턴은 ‘빛은 다른 굴절성의 광선들의 집합’으로 정의했다. 또한 뉴턴은 빛이 굴절되면 색을 그대로 보존할 수 없다는 것을 깨닫고 기존 굴절 망원경의 단점을 고친 반사 망원경을 개발하기도 했다.

(좌)빛이 파동성을 띨 때(실제 결과)와  (우)빛이 입자성을 띤다고 가정했을 때

4. 빛의 파동성

 뉴턴의 입자설과는 달리 이후의 여러 과학자들은 빛의 파동설을 주장했다. 먼저 하위헌스 빛의 반사, 굴절, 회절과 편광같은 현상들을 바탕으로 빛이 파동(횡파)이라는 설을 제시했다. 하위헌스의 주장에는 근거가 부족한 면이 있었다. 이때, 토마스 영이 이중 슬릿 실험으로 하위헌스이 주장을 뒷받침했다. 이후 맥스월의 전자기이론을 통해 빛이 전기와 자기에 의한 파동인 것이 밝혀졌고 막스플랑크의 플랑크 상수를 통해 빛이 파동으로서 일정한 에너지를 가진다는 것이 밝혀졌다.

5. 마이컬슨-몰리 실험과 상대성이론
 다빈치, 갈릴레오, 하위헌스 등 기존의 과학자들은 빛이 에테르라는 물질을 통해 전달되는 파동이라 믿었다. 그러나 마이컬슨-몰리 실험으로 에테르는 실존하지 않는다는 것을 입증되었다. 또한 빛이 언제나 일정한 속도를 가진다는 내용도 내포하고 있었는데 이는 상대성이론의 기본 원리와 같은 내용이다. 아인슈타인의 상대성이론에서 빛의 속도는 빛을 관찰하는 사람의 속도에 상관없이 항상 일정하다는 광속 불변의 법칙을 세웠다. 또한 가속도 운동을 하고 있거나 중력이 큰 물체의 주위에서는 빛이 휘어진다는 사실을 알아냈다.

 

6. 빛의 이중성
 아인슈타인은 광전효과를 정립함으로써 빛의 파동성을 반박하고 빛이 입자의 성질을 가진다고 주장했다. 거기에 닐스 보어가 빛이 입자와 파동성을 둘 다 지닌다고 정리하며 현대 양자역학의 중요한 개념인 빛의 이중성을 정립했다.

 

 

 

 

• 빛의 성질
  빛은 물리학적으로 독특한 성질을 가지고 있다.

1. 빛의 이중성
 파동의 성질과 입자의 성질을 동시에 가지고 있다. 먼저 파동으로서 간섭과 회절의 성질을 가진다. 간섭은 2개의 파동이 겹쳐질 때 파동의 진폭이 변하는 현상이고 회절은 파동이 장애물 너머까지 전달되는 현상이다. 이 두 성질은 이중 슬릿 실험으로 증명되었다. 이중 슬릿 실험이란 빛을 벽면을 향해서 쏠 때 2개의 슬릿(좁고 긴 구멍)을 통과하게 하여 빛이 비치는 벽면을 관찰하는 실험이다. 이 실험의 결과는 밝고 어두운 무늬가 연속적으로 관찰된다는 것이다. 만약 빛이 입자라면 빛 두 줄기가 벽면에 나타나야 하지만 실험 결과처럼 무늬가 나타나는 것은 파동의 간섭 현상 때문이다. 또한 간섭무늬가 여러 개가 나타나는 것으로 빛이 직진한 것이 아니라 퍼져나갔다는 증거이며 이는 파동의 회절 때문에 나타난다. 이 두 가지 결과는 빛의 파동성을 뒷받침한다.
 빛의 두 번째 성질인 입자성은 광전 효과로 증명되었다. 광전 효과는 아인슈타인이 발견한 것으로 빛을 어떤 물질에 쏘면 해당 물질에서 전자를 내놓는 현상을 뜻한다. 이때 전자가 나오려면 빛의 진동수(에너지)가 일정 수준 이상이어야 한다. 광전효과의 최소에너지를 일함수라하고 W로 나타낸다. 일함수는 W=hf로 나타낼 수 있는데 여기서 f는 각 금속마다의 한계 진동수이다. 즉 물질마다 필요로 하는 빛의 진동수(에너지)가 다르며 그 진동수를 넘어야만 전자가 방출된다는 것이다. 만약 빛이 오직 파동의 성질만 가졌다면 빛의 오랫동안 많이 쏘면 전자가 방출되어야 한다. 그러나 이와 관계없이 오직 일정 수준의 진동수를 넘겨야 전자가 방출되므로 빛이 입자성을 가진다고 볼 수 있다.

2. 전자기파로서의 빛

 빛은 전자기파의 한 종류로서 전자기파의 특징도 가진다. 전자기파란 전기력이 작용하는 전기장과 자기력이 작용하는 자기장이 서로에게 변화를 주며 주기적으로 전달되는 파동을 말한다. 전기장과 자기장이 서로 영향을 주며 나아가기 때문에 전자기파(빛)는 매질(파동을 전달하는 물질)이 필요 없다. 이를 비역학적 파동이라 한다. 또한 전자기파는 파동이 나아가는 방향과 진동 방향이 직각을 이루는 횡파여서 횡파의 특징도 포함하고 있다. 그중 전자기파의 진동 방향을 일정하게 만드는 편광이라는 현상이 있는데 이는 LCD 화면을 만드는 데 쓰인다.

3. 반사, 굴절, 전반사 편광
-반사
 빛은 기본적으로 직진하는 경향이 있는데 간혹 반사와 굴절 때문에 빛의 경로가 바뀌는 경우가 있다. 반사는 빛이 어떤 벽에 부딪혀 방향을 바꾸는 현상이다. 또한 반사는 정반사와 난반사로 나뉜다. 정반사는 표면이 매끄러운 물체에서 일어난다. 거울이나 물에 자신의 모습이 비치는 것이 대표적인 정반사이다.난반사는 매끄럽지 않은 표면에서 일어나는 반사로 일반적인 물건이나 출렁이는 수면처럼 자신의 모습이 비치지 않는다. 정반사와 난반사일 때 모두 입사하는 각과 반사하는 각이 같다.

-굴절
 굴절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 경계면에서 진행 방향이 꺾어지는 현상이다. 빛이 꺾어지는 이유는 빛의 속도가 매질마다 다르기 때문이다. 그래서 꺾어지는 방향과 정도는 두 매질 사이의 속도 차이에 의해서 결정된다. 빛이 다른 매질로 들어갈 때 생기는 각을 입사각, 들어간 후 굴절되는 각을 굴절각이라고 한다. 입사각과 굴절각은 매질의 경계에 대한 법선을 중심으로 측정한다.
 빛이 굴절될 때 굴절하는 정도는 스넬의 법칙을 따른다. 그림의 왼쪽부분의 수식은 스넬의 법칙을 표현한 것인데 주로 굴절각(θ)과 굴절률(n)의 반비례 관계를 사용한다.

 

-전반사
 굴절할 때 속도가 느린 매질에서 빠른 매질로 진행할 때 입사각을 크게 하면 굴절각이 매질의 경계면과 일치하게 되는 순간이 있다. 그 순간의 굴절각을 임계각이라고 하며 만약 굴절각이 임계각 이상으로 커지면 빛은 굴절되지 않고 반사되는 전반사가 일어난다. 여기서 임계각은 굴절된 각도가 법선과 90도를 이루는 입사각을 말한다.
-편광
 빛은 진동하는 전자기파라는 관점에서 빛의 전기장 성분은 진행방향의 어느 방향으로든 수직적으로 진동할 수 있다, 여기서 특정방행으로 더 우세하게 진동한다면 이것이 편광이다. 자기장을 통해 빛의 진동 방향을 바꾸어 편광 방향을 휘게 할 수 있다.

 

• 빛의 물리량

1. 광속
 빛은 현재까지 밝혀진 물질과 에너지 중 가장 빠른 존재이다. 그 속도는 진공에서 약 3억m/s이며 매질에 따라 속도가 변할 수 있다. 가장 빠르다는 것 말고도 광속 상당히 특이한 성질을 가진다. 그것은 아인슈타인의 상대성 이론에 기본이 되는 전제 조건인 광속 불변의 원리이다. 우리가 달리기할 때 옆 사람도 같은 속도로 달린다면 그 옆 사람은 상대적으로 정지해 있는 것처럼 보인다. 그러나 우리가 빛과 같은 약 3억m/s의 속도로 달린다고 하더라도 우리가 보기에 빛은 정지해 있는 것이 아니라 3억m/s의 속도를 가진 것처럼 보인다. 한마디로 우리가 정지해있던 빛의 속도만큼 매우 빠르게 운동하고 있던 간에 빛은 우리보다 3억m/s만큼 빠르게 운동하고 있다는 것이다. 이것은 특수 상대성, 일반 상대성이론의 기본 전제로 시간이 느리게 흐르거나 길이가 짧아지는 것처럼 보이는 현상에 밑바탕이 된다.

2. 빛의 에너지
 빛은 에너지를 가지고 있어서 광합성이나 태양광 발전 등에 이용된다. 단위는 줄(J)이며 광자 1개 당 에너지는 플랑크 상수(h)와 진동수(f)에 비례한다.(E=hf)

3. 빛의 밝기
 빛의 밝기는 진폭에 비례한다. 또한 거리가 멀어질수록 빛의 밝기는 어두워진다. 이때 빛의 밝기와 거리는 역제곱의 법칙을 따른다. 물리학에서 어떤 물리량의 크기가 거리의 제곱에 반비례하는 것을 가리키는 말이다. 이 그림처럼 거리가 멀어질수록 전자기파(빛)의 진폭이 줄어들게 된다. 즉, 빛의 세기는 면적에 반비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 것이다.

 

 

 

출처: https://daporang.tistory.com/36