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요약
1621년 네덜란드의 천문학자이자 수학자인 빌레브로르트 반 로이옌 스넬이 빛이 휘는 정도는 굴절물질의 성질과 관계가 있다는 굴절법칙, 즉 스넬의 법칙을 발견했다. 이 법칙은 주로 빛의 굴절과 반사현상에 기초를 둔 광학의 한 분야인 기하광학의 바탕이 되었다.
스넬의 법칙은 n 1/ n 2 = sin α 2/sin α 1로 표시된다. n 1/ n 2의 비는 주어진 빛의 파장에 대해 상수이기 때문에 두 사인 값의 비 또한 각도에 관계없이 상수이다. 따라서 광선이 지나온 물질의 굴절률보다 큰 굴절률을 가진 물질에 입사되면 빛의 경로가 법선 방향으로 휘어진다. 반대로 굴절률이 높은 물질에서 굴절률이 낮은 물질로 들어갈 때 광선의 경로는 가역적이므로 굴절되는 빛이 법선에서 먼 방향으로 휘어진다.
ⓒ Oleg Alexandrov/위키피디아 | Public Domain
1621년 네덜란드의 천문학자·수학자인 빌레브로르트 반 로이옌 스넬(1591~1626 : 스넬리우스라고도 함)이 발견했다. 스넬의 법칙은 크리스티안 호이헨스가 빛에 관한 논문에서 언급하기 전까지는 발표되지 못했다.
그림에서 n1과 n2는 두 물질의 굴절률을 나타내며 α1과 α2는 광선 R가 경계에 수직인 선(법선) NN과 이루는 입사각과 굴절각이다. 스넬의 법칙은 다음과 같이 표시된다.
n1/n2 = sin α2/sin α1
n1/n2의 비는 주어진 빛의 파장에 대해 상수이기 때문에 두 사인(sin) 값의 비 또한 각도에 관계없이 상수이다.
따라서 광선이 지나온 물질의 굴절률보다 큰 굴절률을 가진 물질에 입사되면 빛의 경로가 법선 방향으로 휘어진다. 반대로 굴절률이 높은 물질에서 굴절률이 낮은 물질로 들어갈 때 광선의 경로는 가역적이므로 굴절되는 빛이 법선에서 먼 방향으로 휘어진다.
빛이 어떤 물질에서 다른 물질로 들어갈 때 굴절하는 이유는 그림에서 알 수 있다. 호이헨스의 원리에 따르면 빛의 파면(波面)에서 각 점들은 새로운 구면파를 형성하는 파원(波源)이 된다. R1, R2, R3의 세 광선으로 이루어진 평행한 빔이 굴절률 n1과 n2인 두 물질의 경계면 AF에 입사하게 되고 평면파면 ABC를 가진다.
이 경우에는 첫째 매질에서의 광속이 둘째 매질에서보다 크게 된다(즉 n1이 n2보다 작음). 따라서 호이헨스의 원리에 의하면 첫째 매질에서 구면파의 반지름이 둘째 매질보다 큰 값이 된다. 파면 ABC 위의 점 C가, C에서 경계면 위의 F까지 왔을 때는 파면의 또다른 점 A는 둘째 매질 속에서 거리 AD만큼만 옮겨간다. 이렇게 해서 새로운 구면파에 접하는 평면 DEF가 새로운 파면이 되고, 이것에 수직인 선들이 둘째 매질 속을 지나는 광선이 취하는 경로를 나타낸다.
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