분산에 의한 빛의 마술 속으로

 

일곱 빛깔 무지개의 신비


빛은 전자기파의 일종이다. 전자기파는 각각의 파장이나 진동수에 따라 X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파 등으로 불린다. 그중에서 사람이 눈으로 인식할 수 있는 380~770nm(1nm=10-9m) 파장 사이의 전자기파를 가시광선이라 부르며 흔히 ‘빛’이라고 한다. 그리 넓지 않은 이 영역에서 파장이 조금씩 달라 우리 눈은 다른 색을 본다. 가시광선 중 빨간색의 바깥, 즉 빨간색 빛보다 파장이 긴 전자기파를 적외선이라 한다. 적외선 중에서 파장이 조금 더 긴 것이 원적외선이다. 파장이 수 μm(1μm=10-6m) 정도인데 우리 피부가 따뜻함을 느끼게 한다. 자외선은 가시광선 중 보라색의 바깥쪽으로 파장이 짧다. 자외선의 바깥쪽엔 파장이 더 짧은 X선, 감마(γ)선 등이 있다. 적외선의 바깥쪽에는 파장이 더 긴 레이더, 전파 등이 있다.



우리 눈이 색을 인식하는 과정



햇빛은 하얀색이다. 그러나 실제 햇빛은 무지개에서 보듯이 모든 색깔이 다 포함된 빛이다. 이 모든 색깔의 빛이 눈에 들어오면 우리 뇌가 하얀색으로 해석을 한다. 우리 뇌가 눈을 통해 색을 인식하는 과정은 다음과 같다.



눈의 망막에는 빛을 감지하는 시세포가 있다. 시세포에는 원추세포와 간상세포의 두 가지가 있다. 원추세포는 모양이 원뿔을 닮았고, 간상세포는 모양이 막대기를 닮아서 붙인 이름이다. 원추세포에는 세 가지 종류가 있는데, 어느 정도의 빛이 있어야 작동한다. 이 셋은 각각 빨강, 초록, 파랑에 반응한다. 간상세포는 주로 어두울 때 작동하는데 색깔을 구별하지 못하고 밝고 어두움만 알아낸다.



빛의 삼원색을 섞으면 <그림 2>와 같이 흰색이 된다. 빨간색이 우리 눈에 들어오면 빨강 원추 세포만 작동하고, 나머지는 작동하지 않기 때문에 우리 뇌가 빨간색으로 해석한다. 자홍색이 들어오면 빨강과 파랑 원추 세포가 작동한다. 이런 식으로 두 가지 원추 세포가 작동하면 우리 뇌가 노란색과 자홍색, 하늘색으로 재해석한다. 세 가지 원추 세포가 동시에 작동하면 하얀색으로 작동하고, 모두 작동하지 않으면 검은색으로 해석한다.



햇빛에 섞여 있는 모든 색깔의 빛은 조금씩 다른 특징이 있다. 그런 특징을 이용하면 하얀색을 다시 여러 가지 색으로 나눌 수 있다. 이를 분산이라고 한다.



굴절에 의한 분산 - 무지개


비온 뒤 생기는 무지개는 인간이 빛에 대해 전혀 모르던 시기에도 존재했다. 하지만 당시의 사람들은 그냥 현상을 볼 뿐, 원인을 알지는 못했다. 데카르트는 처음으로 프리즘을 통해 빛을 여러 가지 색으로 나눴지만, 햇빛과 프리즘을 통과한 여러 색깔과의 관계를 설명하지는 못했다. 프리즘을 통과한 빛이 여러 색깔로 분산되는 이유를 굴절률로 설명한 최초의 과학자가 바로 뉴턴이다. 뉴턴은 빛이 프리즘을 통해 분산되는 것은 굴절률 차이 때문이라고 설명했다.



빛은 직진하지만 성질이 다른 매질을 만나면 일부는 반사되고 일부는 굴절해 진행한다. 햇빛이 공기 중에 있는 물방울 속으로 들어가면 빛의 경로가 꺾이는데, 빛의 파장별로 굴절률이 다르므로 꺾이는 정도가 다르다. 파장이 긴 빨간색 빛보다는 파장이 짧은 보라색 빛이 더 많이 꺾인다. 물방울 안에서 진행하던 여러 파장의 빛은 물방울과 공기의 경계면에서 반사된다. 반사된 빛은 다시 물방울 속에서 직진하다가 공기와의 경계에서 일부는 다시 반사하고 일부는 공기 중으로 꺾여 물방울 밖으로 그 모습을 드러낸다. 이것이 우리가 보는 무지개다. 이때 보라색 빛은 위쪽으로, 빨간색 빛은 아래쪽으로 나오며 서로 멀어진다.



관측자는 물방울로부터 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 한 물방울에서 나온 보라색 빛과 빨간색 빛은 멀어질수록 간격이 점점 벌어져서 관찰자의 눈에 동시에 들어오지 않는다. 우리가 보는 무지개는 위쪽 물방울에서 굴절돼 아랫방향으로 직진하는 빨간색 빛과 같은 방법으로 아래쪽 물방울에서 굴절돼 윗방향으로 직진하는 보라색 빛이 동시에 눈에 들어와서 보이는 것이다.



프리즘을 통과한 빛에서 무지개를 볼 수 있는 것도 마찬가지 원리다. 이러한 현상을 굴절에 의한 빛의 분산이라고 한다.



회절에 의한 분산 - CD 표면의 무지개


빛이 좁은 틈을 통과하거나 모서리를 지나면 그림자가 생길 위치에도 빛이 약간 닿는다. 이처럼 그림자가 생길 부분에 빛의 일부가 방향이 꺾이거나 퍼지면서 진행하는 현상을 회절이라고 부른다. 좁은 틈을 지난 빛은 퍼져나가면서 서로 겹쳐져 밝아지거나 어두워지는 곳이 분포된 회절 무늬가 생긴다.



이때 파장이 길수록 밝은 곳과 어두운 곳의 간격이 크다. 백색광이 틈을 지나 스크린에 도달할 때에는 스크린의 중앙으로부터 떨어진 첫 번째 밝은 곳의 위치가 색깔별로 달라 분산이 일어난다. 파장이 긴 빨간색 빛이 파장이 짧은 파란색 빛보다 회절이 더 잘 일어나기 때문에 간격이 큰 것이다. 따라서 백색광이 좁은 틈을 통과하는 경우에도 프리즘과 같은 분산현상을 볼 수 있다.



회절은 파장이 길수록 잘 일어나기도 하지만, 동일한 파장이라도 틈이 좁을수록 잘 일어난다. 빛은 파장이 매우 짧기 때문에 회절이 잘 일어나려면 틈이 좁을수록 좋다. 우리 주변에서 찾을 수 있는 매우 좁은 틈으로는 CD와 DVD가 있다. 우리 눈에 보이지는 않지만 CD나 DVD에는 각각 1.6μm, 0.74μm 정도의 미세한 틈이 있다. 1.6μm는 1mm당 약 600개의 라인이 있는 것과 마찬가지인 매우 작은 크기다.



CD나 DVD에 빛을 비추면 아름다운 무지개를 볼 수 있다. CD나 DVD의 미세한 틈을 빛이 통과하면서 만들어진다. 이런 원리를 이용해 CD나 DVD로 간단한 분광기를 만들어 다양한 광원의 파장을 관찰할 수도 있다. 빈 과자상자와 공CD를 이용해 분광기를 만들어 백열전구, 형광등, LED 등의 다양한 광원을 관찰해보자. 단, 햇빛을 관찰할 때는 분광기로 태양을 직접 향하면 눈을 다친다. 흰 벽에 반사된 햇빛을 관찰하도록 한다.







간섭에 의한 분산 - 비눗방울 무지개



맑은 날 비눗방울 놀이를 하면, 비눗방울에서 무지개를 볼 수 있다. 또 물 위에 뜬 얇은 기름 막에서도 알록달록 무지개를 볼 수 있다. 둘다 분산현상으로 나타난 무지개다. 먼저 물 위에 뜬 기름 막에 생긴 무지개를 살펴보자. 물 위에 얇은 기름 막이 있으면 <그림 6>과 같이 위에서부터 [공기-기름 막-물]의 세 가지 다른 매질이

차례대로 위치한다. 이때 위에서 빛이 비추면 [공기-기름 막]의 경계에 입사하면서 일부는 공기 중으로 반사되고, 일부는 기름 막 속으로 들어간다. 이런 현상은 공기와 기름 막의 모든 부분에서 동시에 일어난다.



기름 막 속으로 들어간 빛은 다시 아래쪽의 [기름 막-물]의 경계에서 반사해 기름 막을 되돌아 통과한 뒤 다시 공기 중으로 굴절해나간다. 이때 [공기-기름 막]의 표면에서 반사된 또 다른 빛과 만나 겹쳐서 간섭을 일으킨다. 그런데 빛의 파장에 따라 겹쳐서 밝아지는 위치가 다르므로 간섭무늬가 다르게 나타난다. 이것이 간섭에 의한 분산현상이다.



비누 막에 나타나는 무지개 역시 이와 같은 현상이다. 얇은 철사로 둥근 고리를 만든 뒤, 둥근 고리에 비누 막을 만들어 세우면 중력에 의해 비누 막의 두께가 위쪽은 얇고 아래쪽은 두꺼워진다. 기름 막에 의한 간섭처럼, 간섭을 일으키는 빛의 파장이 위치에 따라 달라진다. 이런 원리로 비누 막에서 무지개를 볼 수 있다.









<실험 따라 하기 - CD 분광기 만들기>


● 준비물 : 공CD, 빈 과자 상자, 마스킹테이프, 셀로판테이프, 칼, 자, 큰 가위, 색연필

❶ 과자 상자를 찢어지지 않게 잘 뜯어 내용물을 꺼낸다. 한쪽 옆면에 1×0.2cm 정도의 가느다란 틈을 만든다(틈을 만들때는 상자를 펼쳐서 칼로 매끈하게 자른다).

❷ 과자 상자의 반대편에 1×1cm의 네모난 구멍을 만든다.

❸ 셀로판테이프를 이용해 공CD의 라벨 면을 벗겨낸다.

❹ 투명해진 공CD를 과자 상자 옆면의 네모난 구멍(❷의 1×1cm 구멍)에 붙일 수 있을 정도 크기의 부채꼴 모양으로 자른다.

❺ 셀로판테이프를 이용해 부채꼴 모양으로 잘라낸 공CD를 과자 상자 옆면 1×1cm 구멍의 안쪽에 붙인다. 이때 부채꼴 모양의 호가 과자 상자 옆면의 짧은 쪽에 가도록 붙인다.

❻ 과자 상자 가장자리의 틈을 마스킹테이프로 막는다. 공 CD 부분에 눈을 대고 광원과 틈을 일치시켜 스펙트럼을 관찰한다



※ 주의! 태양빛은 직접 보면 안 되고 흰 벽면에 반사된 빛을 봐야 한다.

이세연 서울 명덕고에서 물리를 가르치고 있으며 과학교사 연구모임인 ‘신나는 과학을 만드는 사람들’ 회원으로 활동하고 있다. 저서로는 ‘한 번만 읽으면 확 잡히는 물리(한언)’, ‘원리 Cook Cook! 맛있는 과학교과서(청년사)’ 등이 있다.

글 : 이세연 * 과학동아