빛(light): 복사에너지(복사하는 에너지의 형태), 전자기파의 일종으로 광원에서 관측자에게로 에너지를 전달하기도 한다.
- 물리학에서 빛은 모든 종류의 전자기파를 의미한다.
· 고전물리학에서 빛은 전자기파로 매질 없이 전파된다.
· 그러나 양자물리학에서 빛은 파동 뿐만 아니라 입자로서의 이중성 또한 갖는 대상이다. ⇒ 식물은 태양빛에 의해 전달된 에너지를 광합성(photosynthesis)을 통해 화학에너지(chemical energy)로 전환한다.
· 현대 사회에서 우리는 정보를 빛의 형태로 송수신한다.
Fig 1. 광합성은 빛에너지를 화학에너지로 전환하고 물을 광분해하여 산소 기체를 방출하며, 이산화탄소를 탄수화물에 고정시킨다.
빛과 관련한 대표적인 현상은 다음과 같다.
1. 산란(scattering): 빛 파동이 입자와의 충돌로 인해 주변으로 흩어지는 현상
2. 반사(reflection): 진행하는 빛 또는 전자기파의 파동이 그 파동의 파장보다 큰 장애물에 부닥칠 때 나타나는 현상
- 파동이 다른 두 매질의 경계에서 방향을 전환하여 진행하는 물리현상
3. 굴절(refraction): 진행하는 빛 또는 전자기파의 파동이 밀도가 다른 매질을 만날 때, 경계면에서 속도가 변하고 진로(path)가 바뀌는 현상
- 굴절은 빛과 매질의 상호작용의 결과이다.
4. 간섭(interference): 둘 이상의 파동이 중첩하여 나타나는 물리적 현상
- 공간적 간섭: 빛의 간섭, 여러 광원에서 나오는 빛이 겹쳐 밝고 어두운 부분이 교차해서 나타남
- 시간적 간섭: 맥놀이, 시간 규칙적으로 소리가 커졌다 작아졌다 하는 현상
Fig 2. CD의 무늬는 대표적인 빛의 간섭현상이다.
빛이란 무엇인가?
19세기 이전까지 빛은 광원으로부터 방출된 입자의 흐름이며, 눈으로 들어온 입자가 시신경을 자극하여 우리가 마침내 '볼 수 있다'고 생각했다.
- Aristotle의 색 이론: 색은 원래 물체가 갖는 색(본질 색)과 빛에 의해 물체가 새롭게 갖는 색(겉보기 색)으로 나뉜다.
· 빨간 색 사과의 빨강이 본질 색이라면, 빛에 의해 다양하게 나타나는 명도는 사과의 겉보기 색이다.
빛에 관한 Descartes의 기하학적 설명
- Descartes의 입자론: Decartes는 빛의 본질을 관찰하기 위해 처음으로 프리즘 실험을 고안했다.
· Descartes에 따르면, 빛은 본래 색이 없는데, 프리즘을 통해 색의 형태로 빛이 변화된 모습을 보인다.
· Descartes의 『굴절광학』 (1637): 데카르트는 자신의 저서인 『굴절광학』에서 3가지의 주제를 다루었다.
① 빛의 반사와 굴절: 반사의 문제와 함께, 다른 매질로 들어간 빛의 굴절 현상을 '수학적으로' 최초로 제시했다.
② 인간의 시각
③ 망원경과 안경
Fig 3. Rene Descartes, 1596-1650 / 굴절의 법칙을 설명한 기하 그림
Descartes는 기하학을 활용하여, (1)굴절의 법칙과 (2)시각의 메커니즘을 분석하였고, 이후 이를 렌즈(구면수차가 없는 렌즈)를 만드는 데 활용했다.
- Descartes의 이론은 이후 Newton으로 이어져 (1)빛의 입자론과 함께 (2)빛의 반사와 굴절을 수학적으로 더욱 정교하게 정리했다.
Newton의 빛 입자설
Aristotle은 바다에서 파도가 치기 위해 물이라는 매질이 필요한 것처럼 빛이 진행하기 위해서 에테르(ether)라는 감각적인 개념의 매질을 도입했는데, Newton 또한 이를 신봉하였다.
- 밤하늘 빈 공간에서 천구 상의 물체들이 떨어지지 않는 이유 또한 ether의 존재 때문이다.
- 빛의 문제를 풀기 위해 Newton은 공간의 역할을 하는 ether를 확인하려 하였다.
우선 Newton은 데카르트가 사용한 프리즘을 이용해 빛의 색을 분해할 수 있음을 발견했다. ⇒ 백색광은 여러 색의 혼합광이다!
- 분리된 단색광을 다시 프리즘에 통과시켰을 때 더 이상 색분해가 일어나지 않음을 발견함으로써, 단일한 색의 존재를 증명하였다.
Fig 4. Newton의 프리즘 실험 장치
또한 1704년 『광학』이라는 저서를 출판하면서 빛의 본체를 물체에서 사출되는 미립자로 정의했다.
빛의 파동성
네덜란드의 물리학자이자 천문학자인 하위헌스(Christiaan Huygens, 1629-1695)는 1678년 빛의 반사와 굴절을 '빛의 파동성'으로 설명할 수 있음을 보였다.
Christiaan Huygens, 1629-1695
- Huygens는 자신의 하위헌스 원리(Huygens' principle)로 (1)반사, (2)회절, 그리고 (3)굴절을 완벽히 설명했다.
· 파동이 굴절할 때 속력과 파장은 변하지만, 진동수가 변하지 않음을 이용
· 파동은 직진성을 가지는데, 처음 파원(wave source)을 중심으로 모든 방향으로 일정한 속도를 가지고 이동하며, 이때 파면(wave front)의 모든 점이 새로운 파원이 되어 새로운 파면을 만든다.
Fig 5. 하위헌스 작도
Huygens의 연구는 이후 빛의 파동성을 믿는 많은 학자들에게 영감을 주었다.
- 이탈리아의 천문학자 그리말디(Francesco Maria Grimaldi, 1618-1663)는 빛의 회절, 간섭, 그리고 분산현상을 파동성을 가정하여 연구하였다.
- 1801, 영국의 물리학자 영(Thomas Young, 1773-1829)은 빛의 간섭효과를 실험적으로 보였다.
- 1873, Maxwell은 전자기파의 한 형태로 빛을 수학적으로 예언했다. 이후 독일의 물리학자 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857-1894)가 전자기파를 발생(1887)시키고 검지함으로써 Maxwell의 이론을 실험적으로 증명했다.
· Hertz는 순수한 전자기 이론으로 진동하는 전기쌍극자를 이용해 전자기파를 만들었다. ⇒ 헤르츠 진동자(Hertzian oscillator)
· Hertz는 전자기파로 일정 공간에서 계속해서 진동하는 것처럼 보이는 정상파를 만들어 파장을 측정해 속도를 알아냈다.
Heinrich Hertz, 1857-1894 / Hertz의 실험(1888)
단, Hertz의 실험 중 빛의 파동모형으로 설명할 수 없는 결과가 하나 있었는데, 그것이 바로 광전효과(photoelectric effect)였다.
- 광전효과: 빛을 쪼인 금속의 표면으로부터 전자가 방출되는 현상
- 전자의 운동에너지가 빛의 세기와는 무관하다는 점이었는데, 이는 빛의 파동성만으로 설명이 불가했다.
Fig 6. 광전효과 도식