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반사와 굴절

빛이 물체의 표면에 입사되면 빛의 일부는 반사되고, 나머지는 그 물체에 흡수되거나 투과된다.

광선이 평면에 입사할 때 그 평면의 수직선이 입사광선과 이루는 각을 입사각이라 하고 반사광선과 이루는 각을 반사각이라 한다. 반사광선은 입사광선과 수직선이 만든 입사면 위에 있으며, 입사각과 반사각은 같다. 이것을 반사법칙이라 하며 빛·소리·전자기파 등 모든 파동에 대해 적용된다.

빛이나 파동이 한 매질에서 다른 매질로 입사할 때 반사되고 남은 일부는 새로운 매질 속으로 투과하게 된다.

입사광선이 경계면에 수직이 아닌 방향으로 입사되었을 경우 광선은 새로운 매질에서 그 진행방향이 바뀌게 되는데 이것을 굴절이라고 한다. 굴절된 광선과 수직선 사이의 각을 굴절각 θ₂라 하며 입사각 θ₁과는 n₁sinθ₁=n₂sinθ₂의 관계가 있다.

여기서 n₁, n₂는 각각 첫번째 매질과 2번째 매질의 굴절률이다. 이 관계식은 1621년 W. 스넬에 의하여 실험적으로 얻어졌으며, 스넬의 법칙이라 한다(스넬의 법칙). 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 입사할 때 입사각 θ가 sinθ_c=n₂/n₁을 만족하는 θ_c보다 클 경우 빛은 모두 반사되며 이러한 현상을 전반사라고 한다.

광섬유를 이용한 통신은 전반사의 대표적인 응용의 한 예이며, 볼록 렌즈나 오목 렌즈도 빛의 굴절현상을 이용한 것이다. 기하광학(幾何光學)은 빛이 직선으로 전파될 때 렌즈나 거울에 의한 반사와 굴절현상을 연구하는 학문이다.

간섭과 회절

간섭현상은 파동의 대표적인 성질로서 진동수와 파장이 같은 두 파가 만날 때 생기는 현상이다.

각 파의 위상이 같으면 보강간섭이 일어나서 파의 진폭이 커지고, 위상이 반대인 경우에는 소멸간섭이 일어나서 진폭이 줄어든다. 1801년 영국의 과학자 토머스 영은 영의 실험으로 알려진 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 간섭현상을 측정함으로서 빛의 파동설을 확신시켰으며, 빛의 파장을 측정할 수 있었다(영). 이러한 간섭현상은 호이헨스의 원리로부터 설명될 수 있다.

호이헨스의 원리는 파면상의 모든 점들은 작은 파동을 만드는 파동의 근원이라 볼 수 있고 이들 작은 파동들은 원래의 파동의 전파속도로 전방으로 전파되어나가며 이때 새로운 파면은 이들 작은 파면들의 접선으로 이루어지는 포괄면이라는 것이다. 2개의 슬릿을 통과한 빛은 각각 하나의 점광원으로 간주할 수 있으며 이 두 빛이 서로 간섭현상을 일으키는 것이다.

비눗방울이나 물 위의 기름막으로부터 여러 가지 색의 빛이 반사되는 것을 볼 수 있는데 이러한 것도 역시 빛의 간섭현상에 의한 것이다.

소리와 같은 파동은 진로 도중에 장애물이 있으면 장애물의 모서리에서 휘어진다. 이러한 현상을 회절(回折)이라 한다. 점광원으로부터 나온 빛을 곧은 날에 비추면 그 그림자의 모서리는 명확하지 않고 여러 개의 회절무늬를 나타낸다.

빛은 소리에 비해 회절현상이 잘 관측되지 않았는데, 그 이유는 회절은 파동의 파장이 물체의 크기나 구경과 비슷할 때 잘 일어나기 때문이다. 소리의 경우 그 파장이 1m 정도이므로 그만한 크기의 장벽 뒤에 있어도 회절현상 때문에 잘 들을 수 있지만, 가시광선의 파장은 400~700㎚로 짧기 때문에 회절현상의 관측이 잘 되지 않는다. 장애물이나 구경으로부터 충분히 먼 거리에서 임의의 점에 도달하는 광선이 거의 평행일 때 생기는 회절무늬는 프라운호퍼 회절무늬라 하고, 점광원 가까이서 관찰되는 무늬는 프레넬 회절무늬라 한다.

분산

어떤 매질 속에서의 빛의 속도는 그 빛의 파장과 진동수에 의존한다.

유리에서는 짧은 파장의 파란 빛에 대한 굴절률이 긴 파장의 빨간 빛에 대한 굴절률보다 약간 크다. 태양광 같은 백색 광선이 유리 프리즘에 어떤 각도로 입사되면, 굴절률이 큰 파장의 빛은 많이 굴절되고 굴절률이 작은 파장의 빛은 조금만 굴절되어 빛이 퍼지게 된다. 이러한 현상을 분산(分散)이라 한다. 무지개는 공기 중의 물방울 속에서 굴절에 의한 햇빛의 분산이 일어나는 예이다.

편광

빛이 횡파(橫波)라는 것을 증명하는 현상이다.

모든 횡파는 파의 진동방향과 진행방향이 수직인 파동이다. 어떤 파동이 한 평면상에서만 진동한다면 그 파는 "직선편광 또는 평면편광되었다"라고 말한다. 빛이 편광될 수 있다는 사실은 19세기에 와서야 발견되었지만 뉴턴 시대에도 편광때문에 생기는 현상을 알고 있었다. 그 예는 방해석을 이용한 실험인데, 방해석은 하나의 광선을 2개의 광선으로 분리시켜 굴절시킨다. 또다른 방해석은 결정축의 방향에 따라 이 두 광선 중 하나를 통과시키지 않는다.

오늘날에는 방해석과 같은 결정을 복굴절체라고 하고, 복굴절체의 두 광선은 서로 수직으로 직선편광되어 있으며 방해석은 두 광선 중 하나를 소멸시키는 편광판에 해당한다는 것을 알고 있다. 편광판은 태양빛과 같이 편광되지 않은 빛 중에서 편광판의 투과축과 평행한 방향으로 진동하는 빛만 투과시킨다.

이러한 편광현상은 18세기초에 비로소 토머스 영과 오귀스탱 장 프레넬의 실험을 통해서 빛이 횡파라는 것을 의미하는 것임을 인식했다. 편광되지 않은 빛을 편광된 빛으로 만드는 현상에는 복굴절 외에도 흡수·반사·산란(散亂) 등이 있다. 산란은 분자들이 빛을 흡수한 다음 재방출하는 과정으로서 빛의 진행방향이 바뀌어 사방으로 흩어지게 되며 빛의 진행방향과 수직인 방향에서는 직선편광된 빛을 볼 수 있다.

미립자에 의한 산란은 빛의 파장 λ와 1/λ⁴의 관계가 있다. 하늘빛이 파란색으로 보이는 이유는 대기 중의 공기 분자가 태양빛 중에서 파장이 짧은 파란빛을 많이 산란시키기 때문이다. 빛은 원편광이나 타원편광될 수도 있으며, 편광된 빛과 편광되지 않은 빛이 섞여 부분편광되기도 한다.

전체 빛의 세기와 편광된 빛의 세기의 비를 편광도(偏光度)라고 한다.