에돌이 현상과 파동
에돌이 현상은 빛이 좁은 틈, 장애물 또는 모서리를 지날 때 발생하는 현상이다. 실틈을 지날 때 에돌이 현상은 간섭무늬를 만들며 이에 따라 단순한 퍼짐보다는 복잡한 현상이라고 할 수 있다. 이러한 간섭무늬는 퍼짐과 함께 빛의 간섭으로 인해서 발생한다. 빛이 많은 응용성을 가지는 이유는 이러한 복잡한 성질 때문이다.
멀리 떨어진 광원에서 나온 단색광이 좁은 실틈을 통과한 후 가리개 위에 만드는 에돌이 무늬는 넓고 밝은 중앙의 극대무늬와 이를 중심으로 양쪽으로 2차 극대 또는 버금 극대라고 하는 좁고 다소 약한 극대무늬들로 구성되어 있다. 극소무늬들은 극대무늬들 사이에 있으며, 빛은 어두운 영역으로 확장해 들어가지만 빛의 파동들은 서로 상쇄된다. 이러한 에돌이무늬는 기하 광학적 원리만 가지고는 설명하기 어려운데, 기하광학으로 설명한다면 빛이 직진한다면 입사광선 중 실틈을 통과한 광선만 가리개에 도달하기 때문에 가리개에 도달한 빛은 선명하고 밝은 실틈모양이 나타나게 된다고 생각할 수 있지만 실제로는 그렇지 않기 때문이다. 에돌이는 빛이 좁은 구멍을 통과하는 경우에만 한정하여 일어나는 현상이 아니다. 빛이 모서리를 지나는 경우에도 수직 모서리는 빛을 좌우로 퍼지게 하여 간섭을 일으키기 때문에 이를 따라서도 에돌이무늬가 형성되기도 한다.
에돌이 현상은 빛의 파동성에서 비롯되는 현상이며, 빛도 파동이기 때문에 에돌이가 생길 수 있고 다른 종류의 파동에서도 생기게 된다. 축구경기장에서 에돌이 현상을 경험할 수 있는데, 응원단원이 많은 웅성거리는 관중들을 향해 소리를 지르면, 음파가 응원단원의 작은 입을 통해 나오면서 에돌이가 발생해 소리가 퍼져서 관중들에게 음파가 거의 도달하지 못하기 때문에 목소리를 거의 들을 수 없게 된다. 메가폰을 이용해 소리를 지르면 음파가 입에 비해 훨씬 넓은 메가폰의 입구를 통해 나가게 되므로 목소리가 퍼지는 에돌이 현상이 줄어들어 목소리가 관중들에게 전달될 수 있게 된다. 에돌이 현상은 빛의 파동이론으로 설명할 수 있는데, 빛이 파동성을 가진다면 빛을 공에 비출 때 공 가장자리 부분을 통과하는 빛은 그림자 안쪽으로도 퍼지게 되어 그림자의 중심 부분에 밝은 점이 형성되어야 하고 실험을 통해 이러한 결과를 실제로 얻을 수 있었다. 에돌이 현상으로 인한 그림자 중심 부분의 밝은 점은 Fresnel의 밝은 점이라고 부르며 빛의 파동성이 증명되었다.
Rayleigh의 기준
렌즈의 영상에 에돌이무늬가 나타난다는 사실은 분리 각이 작고 먼 거리에 있는 두 물체를 구별하고자 할 때 중요해지는데, 두 광원 사이에 특정한 분리 각에서는 한 관원의 에돌이무늬의 중앙 극대가 다른 광원의 에돌이무늬 첫 번째 극소와 일치한다. 이러한 분해능의 조건을 Rayleigh의 기준이라고 한다. 분해능은 광원과 주변의 상대적인 밝기, 광원과 관측자 사이 공기층의 난기류, 관측자의 시각 기능 등 여러 가지 요인에 의존하게 된다. 물체 사이의 분리 각이 Rayleigh의 기준보다 작으면 두 물체를 분해할 수 있고, 그렇지 않다면 분해할 수 없다. Rayleigh의 기준을 이용해 점묘화에서의 착시현상을 설명할 수 있는데, 점묘화는 수많은 작은 점들로 그린 그림이다. 점묘화는 그림을 보는 위치에 따라서 그림의 색상이 미묘하게 변하는데, 이러한 색상 변화는 색깔을 띤 점들을 분해할 수 있는지와 관련이 있다. 충분히 가까이에서 그림을 보면 이웃한 두 점 사이의 분리 각이 Rayleigh의 기준보다 커지게 되어 모든 점을 구분할 수 있지만, 멀리서 그림을 보면 분리 각이 작아지면서 점들이 구분이 어려워지기 때문이다.
X선 에돌이
X선은 파장이 10^(-10)m 정도인 전자기파이다. X선의 파장은 원자의 지름과 비슷하므로 이러한 에돌이발을 기계적으로 만드는 것은 불가능하다. Max von Laue는 규칙적인 원자 배열을 가지는 결정 고체가 X선에 대해 3차원 에돌이발이 될 수 있다고 생각했는데, 고체에서 기본단위 원자들의 배열은 계속 반복되기 때문이다. X선이 고체 원자의 결정에 들어가면 산란하는데 이는 결정 구조에 의해 모든 방향으로 방향이 바뀌어 나가는 것이다. 이때 원자들은 면간격의 반사 평면 위에 정렬된 것으로 시각화할 수 있다. 보강간섭에 의한 에돌이 극대는 이러한 면에 대해 측정했을 때 입사파의 방향과 X선의 파장이 Bragg의 법칙을 만족할 때 일어난다.
댓글