[물리학-광학] 01. 빛의 본질

[물리학-광학] 01. 빛의 본질 | The Nature of Light

by Herald_Park 2023. 10. 28. 12:12

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「Light or visible light is electromagnetic radiation that can be perceived by the human eyes.」 (CIE(International Commission on Illumination, 1987)

빛(light): 전자기파의 일종으로, 광학에서 다루는 빛은 인간의 눈이 감지할 수 있는 가시광선 영역의 전자기파를 의미한다. 광원에서 관측자에게로 에너지의 전달이 이루어 진다.

식물은 태양빛에 의해 전달된 에너지를 광합성(photosynthesis)[그림 1]을 통해 화학에너지로 전환한다.
빛의 형태로 우리는 정보를 송수신한다.

광학(optics): 빛의 특성을 연구하는 학문으로 현재는 세부분야로 기하광학, 파동광학, 양자광학, 광유전학 등으로 세분화 되어 있다.

일상에는 빛과 관련해 일어나는 많은 물리 현상들이 존재하는데, 빛의 성질로 내용을 정리할 수 있다.

빛의 직진성: 빛은 모든 방향으로 퍼져나가며 그 방향은 직진성을 띤다. 특정한 빛의 선을 광선(light ray)이라 한다.
빛의 파동성: 빛은 서로 다른 매질의 경계면에서 직진성과는 모순되는 현상을 갖는데, (1)산란, (2)간섭, (3)회절, (4)편광을 들 수 있다.
산란: 하늘이 푸른 것은 공기 분자에 의한 빛의 '산란' 결과이다.
간섭: 빛을 파동함수로 표현했을 때, 빛끼리는 서로 간섭 현상[그림 2]이 일어남을 확인할 수 있는데, 빛의 진폭은 빛의 종류와 위상에 따라 (1)보강간섭 또는 (2)상쇄간섭의 결과로 나타난다. 일상 생활에서는 콤팩트디스크의 간섭현상 무늬[그림 3]를 통해 이 현상을 관찰할 수 있다.
편광: 빛의 편관현상은 빛이 물질과 상호작용을 하면서 횡적 진동 방향이 제한될 때 관찰 가능하다. (1)흡수, (2)산란, (3)반사, (4)굴절, (5)투과로 상호작용을 정리할 수 있다.
반사: 진행하는 빛, 전자기파의 파동이 그 파동의 파장보다 큰 장애물에 부딪힐 경우, 빛이 '반사'된다. 운전을 하면서 자동차의 반사거울로 후면의 자동차의 상(image)을 본다.
굴절: 진행하는 빛, 전자기파가 서로 다른 매질을 만났을 때, 빛은 '굴절'하면서 매질 경계면에서 속도가 변하고 진로가 바뀐다. 안경이나 콘택트렌즈는 물체를 더욱 선명하게 보기위해 상 정보를 굴절시키는 도구이다.

빛이란 무엇인가

What is the Light?

19세기 이전까지 빛은 광원으로부터 방출된 입자의 흐름이며, 눈으로 들어온 입자가 시신경을 자극해 우리가 '볼 수 있다'고 생각했다.

기원전 5세기 경, 고대 그리스의 철학자 엠페도클레스(Empedocles, c. 494 BC - c. 434 BC)는 그리스의 신 아프로디테가 네 가지 원소(불, 공기, 대지, 물)를 조합하여, 인간의 눈을 만들었고, 그녀가 인간의 눈 안에 불을 붙여 그 눈에서 빛이 나와 '시력'을 형성했다고 주장함
기원전 300년 경, 유클리드는 저서 광학(『Optica』)에서 (1)빛은 직진 운동을 하며, (2)굴절과 반사 각에 대해 기하학적으로 분석하였다.
중세 아랍 제국의 철학자 이븐 알하이삼(Ibn al-Haytham, c. 965 - c. 1040)은 빛의 굴절과 반사 현상을 관찰한 뒤 저서 광학(『كتاب المناظر』, 1021)에서 빛을 '입자적 관점'에서 최초로 바라봄
프랑스의 물리학자이자 철학자였던 피에르 가상디(Pierre Gassendi, 1592-1655)는 '비물질적 입자론자'의 관점에서 빛을 '물질로 부터 사방으로 방출되는 비물질 입자'로 간주했다. 여기서 비물질 입자는 원어로 코퓨슬(corpuscle)이라고 하나 의미적으로는 근대입자로도 불릴 수 있다. 근대입자란, 물질로서 세계에 존재는 할 수 없으나, 물질의 가장 미립자인 원자(atom)처럼 거동을 하며 물질 세계에 영향을 주는 것이 특징이다.
뉴턴은 여러가지 광학 연구를 종합하여, 빛의 반사와 굴절을 빛의 '입자론'에 근거해 설명했다.

그러나 네덜란드의 물리학자이자 천문학자인 하위헌스(Christian Huygens, 1629~1695)는 1678년 빛의 반사와 굴절을 '빛의 파동론'으로도 설명할 수 있음을 보였다.

빛의 파동론

하위헌스를 시작으로 빛의 파동성을 연구하는 학자들이 생겨났는데, 두드러진 업적으로 다음 사례들이 있다.

이탈리아의 천문학자인 그리말디(Francesco Maria Grimaldi, 1618~1663)가 최초로 빛을 파동으로 가정하여 빛의 회절, 간섭, 그리고 분산현상을 연구(1660년경)했다.
1801, 영국의 물리학자 영(Thomas Young, 1773~1829)이 빛의 간섭효과를 실험적으로 보였다. ⇒ 단일한 광원에서 방출된 두 빛이 서로 다른 경로를 다라 전파된 후, 다음 한 점에 도달하여 중첩되어 어두워지는 상쇄간섭[그림 4]을 일으킬 수 있다.