적외선은 열 있어 야간 촬영에 활용, 자외선은 에너지 강력해 피부 태워요

적외선은 열 있어 야간 촬영에 활용, 자외선은 에너지 강력해 피부 태워요

날이 더워지면서 자외선 지수가 높은 날이 이어지고 있어요. 자외선은 햇빛을 구성하는 다양한 빛 중 하나인데요. 에너지가 강력하지만 눈에 보이지 않아 사람들이 주의를 기울이지 못하는 경우가 많아요. 그런데 200년 전까지만 해도 사람들은 햇빛이 무지개색으로만 이루어져 있는 줄 알았답니다. 오늘은 빛의 세계에 대해 알아볼게요.

◇햇빛 속 가시광선, 적외선, 자외선
태양빛은 태양이 뿜어낸 에너지가 전파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선 등 다양한 전자기파 형태로 지구에 오는 것이에요. 우리가 물체를 보거나 색깔을 알 수 있는 것은 사람 눈으로 볼 수 있는 빛인 '가시광선' 덕분이지요. 흔히 말하는 빨강·주황·노랑·초록 등 일곱 색깔 빛줄기를 말하는데, 대략 파장(파동의 길이)이 400~700㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m)인 빛을 말해요. 파장이 400㎚에 가까울수록(파장이 짧을수록) 에너지가 크고 색깔은 보라색에 가까워요. 반대로 파장이 700㎚에 가까울수록(파장이 길수록) 빨간색을 띠고 에너지는 작아요.

▲ /그래픽=안병현

과거에는 빛이 오직 가시광선만으로 이루어져 있다고 생각했어요. 1666년 영국의 과학자 아이작 뉴턴(Newton)이 프리즘(유리로 만든 삼각기둥)에 햇빛을 통과시켰더니, 여러 빛깔 중 빨간색과 보라색 바깥쪽에 어떠한 색깔도 보이지 않았지요. 하지만 1800년 영국의 허셜(Herschel)이 프리즘을 통과한 빛 옆에 온도계를 놓고 어떤 색깔이 가장 뜨거운지 살펴보면서 '적외선'의 존재가 드러났답니다. 아무 색깔도 보이지 않는 빨간색 바깥쪽에서 온도가 가장 높이 올라간 거예요.

적외선은 빨간색보다 파장이 긴 빛줄기를 말하는데, 우리 눈에 보이지 않지만 열이 있어요. 캄캄한 밤에 사람이나 따뜻한 물체를 특수 카메라로 촬영하면 적외선을 내뿜는 모습을 볼 수 있지요. 비슷한 시기 발견된 '자외선'은 보라색 바깥에 있는 빛줄기로, 파장은 짧지만 에너지가 강력해요. 그래서 피부를 빨갛게 태우거나 세포 변형을 일으키는 등 나쁜 영향을 줄 수 있어요.

◇빛의 이중성, 입자설 vs 파동설
빛은 오랫동안 과학자들의 중요한 관심사였어요. 그중 가장 유명한 논쟁이 '빛은 입자인가, 파동인가' 하는 문제였지요. 입자란 물체를 이루는 아주 작은 물질을 뜻하고, 파동이란 공간에 퍼지는 움직임을 말해요. 뉴턴을 비롯한 고전물리학자들은 빛이 아주 작은 알갱이로 이뤄졌다고 생각했어요.

19세기 초 영국의 과학자 토머스 영이 '빛의 이중 슬릿(작은 틈) 실험'을 하면서 이러한 고정관념이 깨집니다. 영은 스크린 앞에 막 2개를 설치하고 얇은 틈을 각각 1개와 2개 낸 뒤 빛을 쏘았는데요. 빛이 앞쪽 작은 틈으로 들어가 뒤쪽 두 틈으로 진행하면서 스크린에 밝고 어두운 '간섭무늬'를 나타낸 거예요. 간섭이란 두 개 이상의 파동이 겹쳐 새로운 파동을 만드는 현상인데, 이는 곧 빛이 파동이라는 걸 보여주었죠.

20세기 초, 빛의 정체는 반전을 맞이합니다. 바로 알베르트 아인슈타인(Einstein)이 1905년 '광전 효과'를 발표했기 때문이에요. 아인슈타인은 금속에 빛을 쪼였을 때 전자가 튕겨 나오는 현상을 관찰했는데요. 이를 설명하려면 빛이 파동이 아닌 입자여야 했어요. 결국 과학자들은 빛이 입자성과 파동성을 동시에 갖고 있다고 결론 내렸답니다.

◇빛의 속력은 어떻게 측정한 걸까?
빛은 지구상에서 가장 속도가 빠른 물질로 알려져 있어요. 진공 상태에서 초당 30만㎞를 지나가고 1년에 약 9조4600억㎞(1광년)를 나아가지요. 그래서 먼 옛날 사람들은 빛의 속력이 무한대라고 생각했답니다. 그런 빛의 속도를 측정해보려고 한 사람은 17세기 이탈리아 과학자 갈릴레오 갈릴레이(Galilei)였습니다.

갈릴레이는 조수와 함께 1마일(약 1.6㎞) 정도 떨어진 산봉우리에 각각 올라가 램프 빛을 주고받기로 했어요. 두 사람은 램프와 램프 덮개를 하나씩 들고 서 있었는데요. 갈릴레이가 램프 덮개를 열면 조수가 그 빛을 보고 즉각 램프 덮개를 열기로 한 거지요. 그러면 갈릴레이가 램프를 연 시간과 조수가 빛을 보고 램프를 연 시간을 재 빛의 속력을 구할 수 있다고 생각한 거예요. 아쉽게도 둘의 거리가 너무 가까워서 제대로 알아낼 수 없었지만, 이 실험은 훗날 빛의 속력을 측정하는 중요한 실마리가 됐습니다.

1675년 덴마크의 천문학자 뢰머(Roemer)는 천체의 움직임을 통해 처음으로 빛의 속력을 구하는 데 성공했어요. 목성 주위를 공전하는 위성인 이오가 목성 뒤쪽으로 가려지는 시간이 지구가 목성에서 멀리 있을 때보다 가까이 있을 때 약 22분 빨랐는데요. 뢰머는 이 차이가 빛이 지구까지 오는 데 걸린 시간 때문에 생긴 것이라고 생각하고, 계산 결과 빛의 속력이 초속 21만2000㎞라고 주장했답니다. 천문 관측으로 이 정도나 알아냈다는 것은 대단한 시도였지요.

지상에서 빛의 속력을 측정하는 데 처음 성공한 사람은 프랑스 과학자 피조(Fizeau)였습니다. 그는 1849년 회전하는 톱니바퀴와 거울을 이용해 빛의 속력을 측정했는데요. 톱니 720개가 달린 바퀴를 고속으로 회전시키면서 빛을 쏘고, 톱니와 톱니 사이 틈을 통과한 빛이 약 8㎞ 떨어진 거울에 반사돼 돌아오는 시간을 잰 것이지요. 그 결과 피조는 빛의 속력이 초속 31만㎞라고 주장했어요.

빛을 둘러싼 오랜 연구는 산업용 빛인 레이저, 전자를 빛의 속도로 발사하는 광가속기 등 첨단 산업으로 이어지고 있습니다. 어쩌면 아직도 빛에는 우리가 모르는 비밀이 더 숨어있는지도 몰라요.
조선일보