빛의 특징 - 반사와 굴절

1. 반사

 빛의 특성을 연구하는 분야를 기하광학이라고 부르고, 빛의 진행 방향에 따라 두 가지로 설명할 수 있다. 먼저 빛이 유리 표면에서 반사하여 일부는 본래의 빛이 표면에서 다시 나오는 것처럼 진행하고 나머지는 표면을 통과해서 유리 안으로 진행한다. 이렇게 빛이 통과해서 진행하는 것은 굴절이라고 부르며, 빛이 표면에 수직 하지 않는다면 굴절된 빛은 진행 방향을 바꾸며 휘어졌다고 할 수 있다. 이런 굴절은 표면에서만 일어나며 다른 물질로 통과된 이후에는 방향을 바꾸지 않으며 똑바로 진행한다. 진행 방향을 바꾸는 각도는 물질에 따라 다르며 이를 굴절률이라고 부른다. 굴절률은 Snell의 법칙이라고 부르며 빛의 속력을 매질 안에서의 속력으로 나눈 값이다. 진공에서의 굴절률은 1로 정의하고 공기도 1.00029로 근사하면 1에 매우 가까운 값을 가져 편의를 위해 1로 근사해서 계산한다. 굴절률에 따라서 입사각과 굴절각이 어떻게 움직이는지 알 수 있는데, 빛을 한 물질에서 다른 물질로 진행할 때 굴절률이 같다면 입사각과 굴절각이 동일하다. 진행하는 물질에서의 굴절률이 더 높으면 입사각보다 굴절각이 작아져 수직선에 가까워지는 방향으로 진행하며, 굴절률이 더 작으면 수직선에서 멀어지는 방향으로 진행한다. 만약 진행하는 다음 층의 굴절률이 작고 입사각이 클 경우 빛은 굴절되지 않고 빛이 시작된 물질에 갇힐 수 있다. 이때의 입사각을 임계각이라고 하며 이런 현상을 내부 전반사라고 한다. 이러한 빛의 전반사라는 특성은 내시경과 같은 의술에 응용되고 있는데, 식도를 통해 내려보낸 광섬유가 전반사를 반복하며 내부를 비출 수 있게 된다. 또한 반사에 의해서 편광이 일어날 수 있다. 편광은 전자기파의 모든 전기장이 하나의 평면 위에 있는 경우를 나타내며, 일반적으로 빛은 편광 되어 있지 않으며 이는 비편광 되어 있다고 표현한다. 만약 빛이 지나가는 경로에 편광판이 놓여 있다면 빛이 편광판의 방향에 평행한 성분만 통과하게 되며 편광판의 방향과 입사하는 각도에 따라서 통과하는 빛의 세기가 결정된다. 

 

2. 굴절

 광선이 여러 파장으로 구성되어 있을 때 굴절되는 표면에서 각각 다른 각도로 굴절되는데, 이는 빛의 파장에 따라서 굴절률이 다르기 때문이다. 이렇게 빛이 다른 각도로 굴절되어 퍼지는 현상을 색의 분산이라고 부른다. 빛의 파장에 따라서 다른 색으로 표현되며 분산은 파장에 따른 빛의 퍼짐을 의미한다. 한 가지 파장으로만 이루어진 단색광은 굴절이 되어도 분산은 일어나지 않는다. 굴절률은 파장이 짧을수록 커져서 빨간색 빛보다 파란색 빛에서 더 크며, 굴절률이 클수록 더 많이 꺾어진다. 백색광은 비슷한 세기를 가지는 거의 모든 색 성분의 합으로 구성되어 있다. 백색광에서부터 색의 분산을 확인하기 위해서는 유리 프리즘을 통과시키는 것이다. 프리즘을 사용하면 가시광선 영역의 빛들이 분산이 되어 무지개와 같이 표현되는 빛을 볼 수 있다. 자연에서 햇빛이 빗방울을 비출 때 빛의 일부가 빗방울에 입사되면서 굴절되고 다시 내부에서 2번 반사된 후 외부로 굴절되는데 이때 평면에서 42도 방향의 위치에 빗방울이 분포해 있다면 분산이 일어난 무지개를 관찰할 수 있다. 이렇게 빗방울의 내부에서 2번 반사된 후 관찰되는 무지개를 1차 무지개라고 하며 일반적으로 볼 수 있는 위에서부터 빨간색에서 푸른색으로 분산되어있는 무지개이다. 빗방울의 내부에서 3번 이상 반사되어 발생하는 무지개는 2차 무지개라고 하는데 이는 1차 무지개와 다르게 푸른색에서 빨간색으로 분산되고 태양이 있는 방향에서 나타나기 때문에 관찰되기 힘들다는 특징이 있다.