빛으로 인해 만들어지는 다양한 색채현상에 대해 알아본다.
빛의 굴절에 의한 무지개 색
오래전부터 사람들은 비가 내린 뒤에 볼 수 있는 무지개의 색이 7가지로 보이는 것은 왜일까 하고 관심을 가져왔다. 그 대답은 뉴턴이 프리즘을 사용하여 시행했던 실험과 같은 일이 공기 중에서도 이루어지고 있기 때문이다. 여기서는 물방울이 프리즘의 역할을 대신한다. 즉, 빛이 공기 중에 있는 작은 물방울을 통과하면서 각 파장 성분으로 분광되고, 우리들은 각 파장의 색을 보는 것이다. 반사와 흡수에서처럼 공기를 지나온 빛이 어떤 물질에 닿으면, 공기와 그 물체가 접하는 경계면에서 일부의 빛이 반사될 뿐만 아니라 남은 빛은 물질의 안으로 흡수된다. 그때, 경계면에서 생기는 빛의 진행방향 변화를 「굴절」이라 한다. 또한 물질의 표면에서 반사되는 각도를 「반사각」이라고 한다. 이 경우 입사각과 반사각은 같지만 입사각과 굴절각은 물질의 굴절률 차이에 따라 다르다. 굴절률은 파장에 따라 다르다. 파랑색 단파장의 경우, 굴절률이 크고 쉽게 꺾이지만 빨강색 장파장은 굴절률이 작고 잘 꺾이지 않는다. 이것은 뉴턴의 프리즘 실험에서 빛의 굴절에 의해 프리즘에서 나온 스펙트럼 중 장파장의 붉은 빛이 그 진행 방향에 가깝고 단파장의 보라색 빛이 그 진행 방향에서 떨어져있는 것으로 확인할 수 있다.
빛의 산란에 의한 저녁노을과 푸른 하늘
맑은 날의 빠져들 것 같은 푸른 하늘과 붉게 저녁노을이 물든 하늘은 어떤 현상에 의한 것일까. 하늘에 색이 있어 보이는 것은 태양광이 대기 중에 있는 수증기나 티끌 등의 입자에 닿아, 빛의 방향이 불규칙하게 흩어지기 때문에 생기는 현상이다. 이렇게 빛이 흩어지는 것을 「산란」이라고 한다. 산란의 정도는 입자의 크기와 파장의 장단이 관계되어 있다. 즉, 입자의 크기가 빛의 파장보다 작을 때는 보라나 파랑과 같은 단파장의 빛의 산란이 많고 빨강이나 주황과 같은 장파장의 경우는 산란이 적다. 파장에 따라 산란의 정도가 다른 것을 「레일리 산란」이라고 한다. 하늘이 파랗게 보이는 것은 낮에 태양광이 지구에 닿는 동안 단파장의 보라나 파랑의 빛이 산란되는데, 그 산란된 파장이 색을 보고 있기 때문이다. 한편, 석양의 경우는 태양광이 긴 거리를 통과하는 동안 산란되기 쉬운 단파장의 성분이 산란되고, 산란되기 어려운 빨강이나 주황의 빛이 주로 눈에 닿는 것이다. 석양을 바라보고 있으면, 처음에는 노란빛을 띤 색이 점차 강하게 붉어져 간다. 이것은 바라보고 있는 사이에 태양의 위치가 변화하여 대기 중을 통과하는 거리가 멀어지기 때문에, 산란의 정도가 적은 장파장의 색이 주로 보이게 된 결과다. 우주공간이나 달의 표면에서는 대기가 없기 때문에 산란시킬 매개체가 없어 태양의 빛이 직진하므로 하늘이 파랗게 보이지 않고 암흑 속에 태양만이 보이는 것이다. 입자의 크기가 빛의 파장보다 클 때는 파장의 장단에 관계없이 모든 파장이 똑같이 산란한다. 이것을 「미이 산란」이라고 한다. 예를 들면, 구름이 하얗게 보이는 것은 태양광이 구름을 통과할 때 미이산란이 일어나기 떄문으로 모든 파장이 포함된 색 즉, 흰색으로 보이게 된다.
빛의 회절에 의한 태양의 고리
태양이나 달에 옅은 구름이나 안개가 끼면 그 주변에 색이 있는 흐릿한 고리가 보일 때가 있다. 이것은 빛이 물체가 없을 때는 직진하지만, 물체의 근처를 통과하면 진행 방향이 구부러지는 성질에 의한 것이다. 즉, 대기 중의 작은 물방울이나 빙정에 의해 빛의 방향이 바뀌기 때문이다. 이러한 색이 있는 흐릿한 고리를 「광환」, 「빛의 고리(코로나)」라 하고, 빛의 파동이 휘어지는 현상을 「회절」이라고 한다. 빛은 대기 중의 물체에 닿아 차단되지만 회절한 일부의 빛은 물체의 배후로 돌아들어 온다. 그 빛이 돌아들어 오는 방법은 파장의 장단에 따라 다르다. 광환을 관찰하면 고리의 안쪽이 푸른 빛을 띠며, 바깥쪽이 붉은빛을 띠고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 산란과는 반대로 장파장은 주변에서 들어오기 쉽기 때문에 단파장의 파랑은 태양의 바로 바깥쪽인 반면 장파장의 빨강은 크게 돌아 들어와서 보다 바깥쪽에서 보이게 된다. 또한 산의 정상에서 태양의 빛을 뒤로 하고 안개나 구름을 보면, 거기에 자신의 그림자기 비추는 경우가 있는데 이것도 회절이 원인이다. 이 경우에도 그림자 주변의 바깥쪽에 빨강, 안쪽에 파랑의 고리가 보인다. 「브로켄현상」이나 「브로켄의 요괴」라고 불리는 현상이 이것이다.
빛의 간섭에 의한 비눗방울의 반짝임
비눗방울을 잘 보면, 무지개색으로 반짝반짝 빛나고 있다. 어떤 종류의 나비 날개는 보는 각도에 따라 색이 빛나 보인다. 이것은 빛의 일부가 막에 들어와 굴절된 후 반대쪽 면으로 반사되면서 일어나는 것이다. 같은 파동의 마루와 골의 위치 관계가 어긋나서, 그 마루와 골이 상쇄되거나 보강된 결과 생기는 현상이다. 이것을 빛의 「간섭」이라고 한다. 파동에는 위상이 있어서 두 개의 파동 위상이 겹치면 파도의 높이는 증폭되어 색이 강한 빛을 만든다. 반대로, 위상이 어긋나 있으면 서로 상쇄되기 때문에 색이 보이지 않는다. 비눗방울의 무지개색은 빛이 지나가는 거리의 차에 따라 간섭이 생기는 현상이다. 콤팩트디스크 등의 표면에서도 무지개색을 볼 수 있는데, 이것은 수없이 새겨진 홈(트랙)에서 반사된 빛이 서로 간섭하여 색을 만들어내는 것이다.
다이아몬드의 반짝임
투명한 물질 중 굴절률이 가장 큰 것은 다이아몬드이다. 그 굴절률을 이용한 컷팅방식으로 인해 반짝이게 되는 것이다. 즉, 상부의 컷팅각도를 완만하게 하고 하부의 컷팅각도를 급하게 하는 것으로써 다이아몬드 안으로 들어오는 빛을 밖으로 놓치지 않고, 내부에서 반사시켜 반짝임을 증가시키고 있다. 빛은 어떤 물질의 비스듬한 위치로 들어가면 입사각이 90도가 되기 전에 굴절각이 90도가 되며 그 입사각보다 큰 각도가 될 경우, 모든 빛이 물질 내에서 반사되는 성질(전반사)을 가지고 있다. 이 굴절각이 90도가 되는 각도를 「임계각」이라 하며, 이 임계각은 굴절률에 따라 결정된다. 다이아몬드의 임계각은 24.5도 이므로, 하부의 커트를 24.5도 모아 날카롭게 하여, 모든 빛을 내부로 되돌린다. 그리고 이것을 반복하는 것으로 반대쪽으로 빠지는 빛이 적어지게 되어 유리 등에 비해서 분광된 아름다운 스펙트럼을 관찰할 수 있게 되는 것이다.
댓글