파동과 빛 - 빛의 굴절. 빛의 산란. 광 통신

[alun]

물안경을 쓰면 물속이 선명해지는 이유는?

  우리는 수영을 할 때 물안경을 많이 사용한다. 단순히 그냥 물속에서 맨눈으로 볼 때는

 바닥이 희미하게 보이거나 눈에 물이 들어가서 수영장의 염소 성분이나 바다의 소금 성분이 눈을 따갑게 하기 때문이다. 그렇다면 물안경 유리는 렌즈가 아닌 단순한 유리인데 물속에서 물안경을 쓰면 물체가 잘 보이는 이유는 무엇일까?

   이 문제는 빛의 굴절을 생각하면 간단하다. 빛이 공기 중에서 수정체를 통과할 때의 굴절률과 빛이 물 속에서 수정체를 통과할 때의 굴절률이 서로 다르다. 공기 중에서 수정체로 빛이 진행할 때의 굴절률이 더 크다. 공기 중에서 수정체를 통과하여 뒤 쪽의 망막에 초점을 맺게될 때 선명한 물체를 볼 수 있다. 그런데 물 속에서 물체를 보는 경우는 원시안처럼 망막 뒤쪽에 물체의 상이 생기므로 선명하게 물체를 볼 수 없다. 원시안은 볼록렌즈를 이용하여 물체의 상이 망막에 맺히도록 교정을 한다.

      
 <근시안과 원시안>

  그런데 물안경을 쓰면 물과 눈 사아에 공기층이 생긴다. 공기층을 통하여 수정체를 통과하므로 상대굴절률이 물 밖에서의 상대굴절률과 같다. 그러므로 물 밖에서와 같이 물체의 상이 망막의 뒤편에 정확하게 생기므로 선명한 물체를 볼 수 있게 된다. 여기서 상대 굴절률이란 n2/n1으로 공기에서 물로 빛이 굴절하는 경우에 공기의 굴절률을 n1, 물의 굴절률을 n2로 하여 계산할 수 있다. 공기보다 물이 굴절률이 더 크므로 상대 굴절률은 물에서 수정체로 굴절하는 경우보다 공기에서 수정체로 굴절하는 경우가 더 크다. 그러므로  물 속에서 안경없이 물체의 상을 보는 경우는 원시안처럼 빛이 덜 꺾여서 물체의 상이 망막의 뒤편에 생기게 되는 것이다.                 

  그러나 공기 중에서 망막의 바로 앞에서 상을 맺는 근시안인 사람이라면 이 이야기는 다르다. 상대 굴절률이 작은 것이 물체의 상을 물 밖에서보다 뒤로 밀어서 망막에 초점을 맺게 하므로 밖에서보다도 선명하게 보이게 한다. 둥글 게 툭 튀어 나온 물고기의 눈은 물 속에서 수정체를 통과할 때 망막에 상이 잘 생기도록 굴절율이 아주 크다. 이것은 수중에서 물체를 선명하게 보기위한 메커니즘이다.

   신기루 현상이 생기는 이유는 무엇일까?

   사막과 관련하여 머리에 떠오르는 것은 낙타, 오아시스, 그리고 신기루입니다.  구름 한점 없는 푸른 하늘 아래 끝없는 하얀 모래밭, 언덕을 지나는 낙타행상 행렬과 이들에게 안식처를 제공하는 푸른 오아시스는 사막을 여행하는 사람들에게는 천국이라고 할 수 있습니다. 그런데 오아시스로 착각하게 하는 신기루는 무슨 이유에서 생기며, 우리 주위에는 이와 비슷한 현상이 없을까 하는 궁금증이 생깁니다.

그림 1에서 B물체에서 반사된 빛은 사방으로 퍼져나가는데, 비스듬히 위로 가는 빛은 진행함에 따라 지면 쪽으로 굴절합니다. 지면 쪽으로 굴절하는 것은 지면의 높이에 따라 온도가 다르기 때문입니다. 높아질수록 온도가 높아지는 경우입니다. 그런데 온도가 높아지면 공기의 밀도가 작아져서 빛의 속력이 더 빠릅니다. 즉, 아래쪽보다 위쪽의 속력이 더 크므로 아래로 굴절하는 것입니다.

그래서 A위치에 있는 사람은 눈으로 들어온 빛의 연장선에 물체가 있는 것처럼 보이기 때문에 물체가 떠 보이게 됩니다. 산 넘어에 나무가 있는데, 방향을 잘못 설정하여 생명까지 위태로운 지경에 몰리게 되는 것이 신기루 현상입니다.

   또, 그림 2와 같이 높아질수록 온도가 낮아지는 경우에는 빛이 지면 위쪽으로 굴절합니다. 즉, 온도가 낮은 곳은 높은 곳보다 밀도가 커서 속력이 느려지게 됩니다. 4열 종대로 행진하는 군인들이 있을 때, 한쪽이 다른 쪽보다 빠르게 행진하면 그 진행이 느린 쪽으로 휘어지는 현상과 같은 것입니다.

   아스팔트가 깔린 길에서도 이런 현상을 볼 수 있습니다. 태양열을 흡수하여 뜨거워진 아스팔트는 그 위에 있는 공기를 뜨겁게 하여 지면 쪽으로 갈수록 온도가 높습니다. 땅으로 쬐는 하늘빛의 일부와 맞은 편 건물에서 반사된 빛의 일부가 땅 가까이에서 굽어 올라와서 사람 눈에 들어오게 됩니다.  그러면 사람은 눈에 들어온 빛의 방향의 연장선이 닿는 아스팔트 위에서 하늘과 건물을 보게 됩니다.  이것은 마치 그곳에 물이 고여있어 건물을 반영하고 있는 것 같이 보입니다.  더운 여름에 자동차 여행을 하다가 가끔 보는 현상이지요.  사막에서 이런 현상을 보게 되면 물을 보았다고 착각하게 될 것입니다. 나폴레옹이 아프리카를 침공하였을 때에 이런 현상 때문에 골치를 앓았다고 합니다.

       별빛이 반짝거리는 이유는?

   밤에 별을 바라볼 때 우리는 별이 반짝인다고 말을 한다. 그렇다면 달에서도 별을 바라볼 때 별은 반짝일까? 아니다. 그렇다면 별 자체는 반짝이지 않는데 우리눈에는 왜 반짝여 보이는 것일까?

왼쪽 그림과 같은 실험을 통하여 별빛의 반짝거림을 확인할 수 있습니다. 컵의 밑바닥을 덮은 만큼의 종이에 작은 구멍을 내고, 컵의 바닥을 덮고, 물을 약 2/3가량 채웁니다. 그리고 컵 밑바닥으로 빛을 비추면 구멍 사이로 빛이 통과합니다. 이 때 물을 저어 흔들면 빛이 반짝임을 관찰할 수가 있습니다. 이것은 물의 흔들림으로 인하여 굴절이 일정하게 일어나지 않고, 불규칙하게 일어나기 때문입니다.    같은 원리로 별빛이 반짝거리는 이유를 설명할 수 있습니다. 그것은 지구를 둘러싸고 있는 대기층의 복잡성 때문입니다. 지구의 대기층은 수백 km 상공까지 뻗어 있는데 각기 구성 성분이나 밀도, 온도가 다른 여러 층으로 구성되어 있습니다.

   별빛은 공기가 없는 곳에서 지구의 대기층을 통과할 때 굴절을 하게 됩니다. 그런데 여기서 공기층이 일정한 것이 아니라 계속 움직이거나 대기층 자체의 밀도가 일정하지 못합니다. 즉, 굴절이 일정하게 일어나는 것이 아니라 공기의 밀도에 따라 굴절되는 정도가 다르게 나타납니다. 결국 불안정한 대기 때문에 우리가 바라보는 쪽으로 별빛이 왔다가 안왔다가 하거나 상하좌우로 굴절하기 때문에 우리 눈에 별빛이 반짝이는 것처럼 보이는 것입니다. 그래서, 바람이 부는 날에 별이 더 반짝이는 것처럼 보입니다. 지구 대기층 밖에서 별을 보면 전혀 반짝거리지 않습니다. 우주 비행사들은 반짝거리는 별을 보는 것이 아니겠지요?

   육안으로 볼 수 있는 별은 대략 8천개쯤 됩니다. 그러나 보통은 산이나 지평선 등과 같은 여러 장애물 때문에 3천개 정도만 보입니다. 망원경을 쓰면 더 많은 별을 관찰할 수 있겠지요.  천체망원경으로 볼 수 있는 별이  30억개나 된다고 하니 놀랍지 않습니까?  하지만 이것도 알려져 있는 숫자일 뿐 우주에는 아직 인류가 본 적이 없는 더 많은 별이 있을 것이 분명합니다.
   별은 반짝거리기 때문에 밤하늘을 더욱 아름답게 만들고 우리의 마음을 풍요롭게 해주지만 지상에서 별을 연구하는 천문학자에게는 큰 두통거리가 됩니다. 별빛이 두꺼운 대기층을 뚫고 오면서 별의 성질을 밝혀낼 수 있는 소중한 정보들이 손실되기 때문입니다. 그래서 요즈음은 대기의 영향을 줄이기 위해 높은 산에 천문대를 만들거나 아예 지구 밖의 궤도에 망원경을 실은 인공위성을 띄워 관측하는 일이 증가하고 있습니다. 그렇지만 지구를 둘러싸고 있는 대기층이 있기 때문에 우리가 숨을 쉬며 생활할 수 있고, 외계에서 날아오는 유성체들이 지표면에 닿기 전에 타버리는가 하면 인체에 해로운 자외선으로부터 보호받을 수 있습니다. 밤마다 별을 관측하는 천문학자들이 연구의 어려움에도 불구하고 지구대기에 대해 감히 불평하지 못 하는 이유가 여기에 있습니다.

   옛사람들은 이러한 별의 반짝임을 이용하여 날씨를 예측하기도 했습니다. 이것은 별의 깜빡임이 상공의 기류가 무너짐으로 인해 일어나기 때문입니다. 기류가 무너 진다는 것은, 저기압이나 전선의 접근을 의미하기 때문에 깜빡임이 많을수록 악천후가 되는 것이지요.

비누막이나 기름막에서 무지개 색을 볼 수 있는 이유는?

비누방울의 색깔이 변하는 것을 설명하기 위해서는 먼저 빛의 성질을 살펴보아야 할 것입니다.  빛은 바다의 파도와 같이 최정점이 되는 마루와 골로 이루어진 파동으로 되어 있습니다.  이 때 마루와 마루 또는 골과 골 사이의 거리를 파장이라고 하는데 빨간색이 가장 긴 파장을 가지고 있고, 가장 짧은 파장을 가지고 있는 색은 보라색입니다.  이 두 색 사이에 서로 다른 파장을 가진 색들이 존재하고 있지요.   그렇다면 왜 비누방울 막에는 여러 가지 색이 나타나고 계속 움직이고 변하는 것일까?     비누막은 매우 얇은 두께의 막으로 되어 잇는 것 같지만 사실은 삼층 구조로 되어 있습니다.  이는 두 장의 식빵 사이에 햄이나 야채가 가득 들어 있는 샌드위치와 같이 두 개의 비누분자층 사이에 물분자층이 존재합니다.   따라서 백색광이 비누막에 닿게 되면 첫 번째 비누분자층에 빛이 반사가 되고, 두 번째 비누분자층에서도 반사가 일어나게 됩니다. 이 때 비누막의 두께 또는 두 층 사이의 거리에 따른 시간차가 나게 되며, 각층에서 반사된 빛의 파동이 다시 만나게 될 때는 여러 가지 형태의 파동을 만들어 냅니다.    다시 말해 반사된 두 개의 파동이 마루는 마루끼리 만나고, 골은 골끼리 만났다면 이 때는 서로 보강간섭을 일으켜 더욱 더 밝은 색을 나타내게 되고, 마루와 골끼리 만났다면 두 파동이 서로 반대 모양으로 위치해 있어 서로 상쇄하는 작용을 하여 색은 사라져 버리고 마는 것입니다.  따라서 비누막에서 볼 수 있는 색은 파동의 간섭이 일어난 후에 나타나는 것입니다. 백색광이 처음 기름막으로 입사하여 굴절하게 되는데, 파장에 따라 굴절률이 다르므로 빛의 분산이 일어납니다. 각 색깔별로 두 번째 비누층에서 반사되고, 첫 번째 비누층에서 반사된 빛과 간섭이 일어나므로 무지개 색을 띠게 되는 것입니다.   또한 비누막은 액체이기 때문에 계속해서 아래로 흘러 비누막의 두께는 위보다 아래가 더 두꺼워지게 되고, 바람의 영향으로 비누막의 색깔은 계속해서 소용돌이 치며 변하는 수평층을 나타냅니다. 그러다가 시간이 흘러 비누방울 윗 부분의 비누막이 더 얇아지면 비누막의 색깔은 점점 어두워지게 되고 결국 비누막은 터져 버리고 마는 것이다.    기름막에서 생기는 무지개색도 같은 원리로 설명할 수 있습니다. 액체의 표면에서 자신들의 분자끼리 서로 잡아당기는 힘을 표면장력이라 하는데, 예를 들자면 수은을 유리면 위에 한방을 떨어뜨렸을 때 수은은 표면장력이 매우 크기 때문에 동그란 모양을 유지하게 됩니다. 하지만 이와는 반대로 표면장력이 아주 작은 기름은 물위에 떨어뜨렸을 경우에 아주 넓은 면적으로 퍼져나가게 되어 우리가 상상할 수 없는 아주 얇은 막을 형성하게 됩니다. 이 막에 빛이 들어가게 되면 막의 표면에서 반사된 빛과 굴절하여 분산된 빛들이 막의 이면에서 반사된 빛이 서로 간섭을 이르키면 무지개색을 띠게 되는 것입니다.

물고기가 물 밖을 볼 때 생각보다 더 넓은 영역을 볼 수 있다고 하는 이유는?

  물고기가 인간과 같이 세상을 볼 수 있다는 것은 어쩌면 이숍우화같은 얘기라고 할 수 있다. 그러나 물고기가 인간과 같이 보고 생각할 수 있다면 생각보다 더 넓은 영역을 본다는 것이 과학적으로 전혀 근거없는 얘기는 아니다.

  그림과 같이 공기에서 유리로 빛이 입사되면 경계면에서 빛이 굴절된다.

이 때 꺾이는 정도는 두 매질에서의 속도 차이가 클수록 커진다. 즉, 유리와 같이 밀한 매질일수록 속도가 느려져서 빛이 굴절 현상이 잘 일어난다.

  소녀가 동전을 보는 것은 동전에서 반사되어 오는 빛이 눈으로 들어와서 망막에 맺히기 때문이다. 그런데 조금 앉아서 본다면 동전을 볼 수 없게 된다. 그러나 물을 채운다면, 동전에서 반사된 빛이 굴절되어 눈으로 들어오므로 동전을 볼 수 있게 되는 것이다.

  반대로 동전이 눈이 있어서 소녀의 눈동자를 볼 수 있다고 한다면, 물 속에서 조금 앉아 있는 소녀의 눈을 볼 수 있다는 얘기가 된다. 물고기가 동전과 같은 위치에 있다면, 유리에서 굴절된 빛의 연장 선 상의 물체들만을 볼 수 있다고 생각하기 쉽지만, 사실은 굴절된 빛의 범위만큼 더 넓은 영역을 볼 수 있다는 것이다. 

[출처] 41. 파동과 빛. 빛의 굴절|작성자 다이아몬드

구름이 없는 날의 하늘이 파란색을 띠는 이유는?

  하늘이 푸른 이유는 19세기에 영국의 존 윌리엄 스트럿, 즉 제3대 레일리 경이 빛의 산란 이론을 바탕으로 해서 하늘이 푸른 이유를 처음으로 이론적으로 설명했다. 하늘이 푸른 이유는 태양빛이 대기 중을 통과할 때 짧은 파장의 빛(푸른 빛)일수록 더 많이 산란되기 때문에 하늘이 푸른빛을 띠게 된다는 것이다. 예를 들어 푸른빛(파장의 길이 400nm)의 산란율은 붉은빛(파장의 길이  640nm)에 비해 약 6배 가량 크기 때문에 푸른빛이 더욱 강해지는 것이다.
   대기 중의 미립자에 의한 빛의 산란 현상으로 하늘이 푸른 까닭을 설명하려는 구체적인 실험은 1868년 영국의 존 틴들에 의해 처음으로 실시되었다. 틴들은 유기물질에 빛을 쏘는 다양한 실험을 통해서 역사상 최초로 분명한 형태로 하늘이 푸른 현상을 실험실 상에서 재현하는 데 성공했고, 이런 이유 때문에 사람들은 대기 중의 미립자에 의해 빛이 산란되는 현상을 ‘틴들 효과’라고 부르게 되었다. 레일리의 빛의 산란 이론에 의하면 대기 중에서 빛의 파장의 약 1/10 이하의 미립자를 통과할 때 생기는 산란의 세기가 파장의 4제곱에 반비례한다고 하였다. 레일리는 먼지, 수증기 등 부유 물질이 없어도 산소와 질소의 대기 분자들에 의한 산란에 의해서도 하늘이 푸른 현상이 나타날 수 있다는 주장을 내놓았다. 즉 레일리의 이론에 의하면 아주 깨끗하고 맑은 대기도 빛의 산란에 의해서 푸른 하늘을 나타낼 수 있게 된다.
   같은 원리로 해질 무렵과 해뜰 무렵의 하늘이 붉은 이유도 설명할 수 있다. 해질 무렵과 해뜰 무렵의 하늘이 붉은 이유도 설명할 수 있다. 해질 무렵과 해뜰 무렵에 태양빛은 더욱 먼 거리를 통과해야 하기 때문에 푸른빛은 거의 다 산란되고, 지구에 직접 도달하는 빛은 붉은색이나 주황색을 띠게 된다.

  구름은 왜 하얀색을 띠고 있는 것일까? 파도의 물보라나 흰 구름은 여러 크기의 물방울(미세한 것도 있다.)로 되어 있습니다. 크기가 다른 물방울들은 진동수가 다른 빛을 산란시킵니다. 큰 물방울은 낮은 진동수(빨강 쪽)의 빛을, 작은 물방울은 높은 진동수(보라 쪽)의 빛을 산란시킵니다. 그 결과 모든 빛을 산란시켜 우리에게는 흰색으로 보이게 됩니다.빛의 모든 색을 모두 합치면 흰색이 된다. 검은 색으로 보이는 물체에서는 빛이 전혀 반사되지 않고 모두 흡수된다. 예를 들면, 블랙홀은 빛조차 흡수하여 블랙홀에서 오는 빛이 전혀 없기 때문에 블랙홀인 것이다.

  우주를 여행하는 비행사가 보는 하늘은 무슨 색일까? 우주에는 공기가 없기 때문에 빛이 반사되거나 산란될 수가 없다. 다만, 태양이나 별에서 오는 빛이 우리 눈으로 들어와서 그 실체를 확인할 수 있을 뿐이다. 우주 공간에서 반사되거나 산란되는 빛이 전혀 없기 때문에 검은 색 하늘로 보이게 된다.

저녁놀이 붉게 물드는 이유는?
	저녁놀이 생기는 이유는 태양이 지표면에 가까이 있기 때문이다. 태양이 머리 위에 있는 한낮에 비해 해가 지는 저녁에는 태양이 지표면과 가까이 있어서  햇빛이 대기층을 지나는 거리가 긴데, 이 때 파장이 짧은 보라색이나 파란색의 빛은 도중에 산란되어 거의 흩어져 버리고 파장이 긴 빨간색의 빛이 우리 눈에 많이 도달한다. 그 결과 해 질 무렵인 저녁에는 붉은 빛의 저녁놀을 볼 수 있는 것이다.

  바닷물이 파랗게 보이는 이유는?

 물은 투명하기도하고 바닷물처럼 푸르게도 보이는데 물은 어떤 색일까요?

본래 물의 빛깔은 호수나 바닷물처럼 아름답고 진한 푸른빛이 아닙니다. 그 빛깔은 하늘의 푸른색이 반사된 것입니다. 물 자체의 빛깔은 물밑에서 하얀 물체를 볼 때 보이는 푸른빛이 도는 녹색(청록색), 흔히 우리가 옥빛이라고 이야기하는 빛깔을 냅니다. 구름이 푸른 하늘을 가리고 구름 사이로 한 줄기 빛이 바다를 비칠 때, 바로 그 바다의 색이 옥빛입니다.
  물은 거의 모든 빛을 투과시키지만 적외선은 모두 흡수합니다. 이것은 물분자가 적외선의 진동수에 공명하기 때문이며, 적외선의 에너지는 물이 갖게 되어 물의 온도가 올라갑니다. 햇빛이 물을 데우는 것은 이런 이유 때문입니다. 물분자는 또 적외선과 가까운 진동수를 갖는 빨강에도 매우 적은 양이 공명하기 때문에 빨강도 물에 약간 흡수됩니다. 호수나 바다에서 물의 깊이가 15미터정도 될 때 빨간빛의 세기는 1/4로 줄어들고, 30미터 깊이의 물을 통과하는 빨간빛은 매우 작습니다.
  햇빛에서 빨간빛이 없어지면 어떤 빛깔로 보일까?  햇빛에서 어떤 빛이 없어지면 우리는 그 빛의 보색을 보게됩니다. 빨간 색의 보색은 푸른빛이 도는 녹색, 즉 청록색입니다. 이런 깊이의 바닷물의 색은 청록색으로 보입니다.

  그리고 흥미롭게도 깊은 물 속에서는 검게 보이는 게를 비롯해 바다 생물들이 물 밖에서는 빨갛게 보입니다. 이런 깊이에서는 빨강과 검은 색이 똑같이 보입니다. 파도의 물보라는 왜 하얀 색이고 흰 구름은 왜 흰색일까요? 파도의 물보라나 흰 구름은 여러 크기의 물방울(미세한 것도 있다.)로 되어 있습니다. 크기가 다른 물방울들은 진동수가 다른 빛을 산란시킵니다. 큰 물방울은 낮은 진동수(빨강 쪽)의 빛을, 작은 물방울은 높은 진동수(보라 쪽)의 빛을 산란시킵니다. 그 결과 모든 빛을 산란시켜 우리에게는 흰색으로 보이게 됩니다. 자연에서 볼 수 있는 빛깔들은 서로 다른 방법으로 우리 눈에 들어옵니다. 물체의 분자들이 어떤 빛을 산란시키고 반사하느냐에 따라, 그리고 분자들이 어떤 빛깔을 흡수하느냐에 따라 물체의 빛깔이 다르게 보이는 것입니다.

   달에서 본 하늘은 왜 깜깜할까?

  지구에서 본 하늘이 푸르게 보이는 것은 햇빛이 대기를 통과할 때 빛이 산란되기 때문이다. 즉 대기 중의 공기 분자와 미세한 먼지는 다른 색에 비해 푸른빛을 많이 산란시키므로

하늘이 푸르게 보이는 것이다.

   그리고 해 뜰 무렵이나 저녁 무렵에는 붉은 빛의 아침 놀이나 저녁놀을 볼 수 있다.

이것은 아침이나 저녁에는 한낮에 비해 햇빛이 대기층을 지나는 거리가 길다.

이 때 파장이 짧은 보라색이나 파란색의 빛은 도중에 거의 흩어져 버리고 파장이 긴

빨간색의 빛이 우리 눈에 많이 도달한다.

  그 결과 해 뜰 무렵이나 저녁 무렵에는 붉은 빛의 아침놀이나 저녁놀을 불 수 있다.

 그런데 달에서는 하늘이 깜깜하게 보인다. 사진은 세계 네티즌이 뽑은 `20세기의 최고

천체사진'으로 1968년 아폴로 8호가 달 주위를 돌면서 촬영한 `떠오르는 지구(Earthrise, Apollo 8)'이다. 사진에서도 확인하고 있는 바와 같이 달에서 본 하늘은 온통 검은 색 뿐이다.

이것은 달에 공기가 없으므로 빛이 산란되지 않아서 사진기로 들어오는 빛이 없기 때문이다.

   우리 눈으로 물체를 보려면 물체에서 반사한 빛이 우리 눈으로 들어오기 때문이다.

 즉, 푸른색으로 보이는 나무는 나뭇잎에서 다른 빛은 거의 흡수하고 푸른 색 쪽의 빛을 주로 반사하여 우리 눈으로 들어오기 때문이다.  사진에서 지구가 찍힌 것은 태양 빛이 지구에서

 반사되어 오는 빛이 필름에 감광되기 때문이다. 인간이 달에 있다면 지구가

달에서 떠오르는 모습을 관찰할 수 있을 것이다

교통 신호등의 빨간빛과 같이 위험 신호가 빨간색인 이유는?

빨간 빛은 다른 색에 비해 가장 멀리까지 전달되고, 불에 가까운 색이므로 경고의 의미를 강하게 전달할 수 있으므로  위험 신호를 빨간색으로 사용하고 있다.  빨간 빛이 왜 가장 멀리 전달될 수 있을까?   산란에서 그 원인을 찾을 수 있다. 산란은 빛이 공기 중의 작은 입자, 소립자 등에 충돌하여 사방으로 흩어지는 현상이다. 산란은 파장이 짧을수록 잘 일어나므로 파장이  긴 빨간 빛보다 파란 빛이 산란이 잘 일어난다. 하늘이 파랗게 보이는 이유는 파란 빛이 많이 산란되어 우리 눈에 많이 들어오기 때문이며, 저녁 놀이 붉은 색으로 보이는 것은 긴 공기층을 통과하면서 파란색 계통은 모두 산란되어 흩어지고 빨간 빛만 우리 눈으로 들어오기때문이다. 그러므로 빨간 빛이 공기 층을 지나면서 산란되지 않고 멀리까지 전달된다.   산란(scattering) 현상을 과학적으로 살펴본다면, 파장이 짧은 파란색 계통의 빛이  원자, 분자, 미립자와 충돌하면서 속박 전자에 에너지를 주면, 전자가 진동하면서 잠시 들뜬(여기) 상태가 되었다가 다시 바닥 상태로 되면서 에너지를 사방으로 방출하는  현상이라고 할 수 있다. 즉, 소리굽쇠가 그 주위로 소리굽쇠가 갖고 있는 비슷한 음이 다가왔을 때 소리를 내는 공명 현상과 흡사하다.   원자(Atom)는 가운데 핵(Nucleus)이 있고 그 주위를 전자(Electron)가 운동하는데, 그러한 궤도운동을 하게 하는 힘, 즉 구심력은 전자기력이다. 다시말해 핵의 양전하와 전자의 음전하 사이에 끌어 당기는 힘이 존재하여 안정된 원자를 이루고 있다. 이러한 원자에 빛이 다다르면 빛이 갖고 있던 에너지가 전자에 전달되어 진동을 하게 되고  이러한 진동으로 말미암아 그 진동수에 해당되는 빛이 사방으로 내보내지게 된다. 이러한 현상을 빛의 산란이라 한다. 레일리가 파장에 비하여 작은 미립자에 의한 산란 현상을 연구하여 산란 빛의 세기가 파장의 4제곱에 반비례한다는 것을 발견하고, 청색 빛은 대기 중의 분자나 미립자에 의하여 태양광선이 산란된 것이라고 하였다.

우리가 통신을 할 때 많이 쓰이는 광섬유는 어떠한 원리로 원하는 정보를 전달하고 있을까요?

일반적으로 빛이 다른 매질을 지나가게 되면 굴절을 일으키게 됩니다. 그러나 두 매질의 종류와 빛의 입사각에 따라 빛이 굴절하지 않고 모두 반사하는 경우가 있습니다. 어떠한 경우에 이러한 일이 발생하는지 알아보도록 합시다. 빛의 전반사  소한 매질에서 밀한 매질로 빛을 입사시킬 때 점차로 입사각을 증가시키면 특정한 각 이상이 되었을때 빛이 전반사 (Total Internal Reflection)를 일으키게 됩니다. 이때의 각을 임계각 (Critical Angle)이라 부르게 됩니다. 임계각 보다 큰 입사각으로 빛이 들어오면 따라서 모두 반사를 하게 됩니다. 이때에는 일반적인 반사의 법칙에 따라 반사를 하게 되겠지요. 위그림은 입사각을 바꾸어 갈때 빛이 전반사를 일으키게 되는 것을 보여주고 있습니다. 광원 s에서 나온 빛이 다양한 입사각을 가지고 공기-유리의 경계면을 통과할 때 그림에서와 같이 a부터 d까지는 굴절을 하게 됩니다. 하지만 e를 지나게 될 때는 더 이상 굴절을 하지 않게 됩니다. f부터 g까지는 입사각이 임계각을 넘어서게 되므로 모두 전반사가 일어나게 됨을 알 수 있습니다. 프리즘을 통한 빛의 전반사 실험 실제로 프리즘에서 입사각을 변화시키면서 빛이 전반사 하는 모습을 관찰할 수 있게 됩니다. 다음의 사진을 보면 프리즘으로 입사하는 광선의 입사각에 따라 일부는 굴절하여 공기중으로 나아가고 일부는 전반사가 되어 나오게 됨을 알 수 있겠지요? 임계각을 구하여 봅시다 임계각을 구하기 위하여 매질 1에서의 입사각을 임계각으로, 매질 2에서의 굴절각을 90도로 가정하고 굴절의 법칙 (Snell's law)을 적용하여 봅시다. 이때 다음과 같은 식을 생각할 수 있습니다.   따라서 임계각은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 상대 굴절률이 주어졌을 때의 입사각을 계산한 결과를 표를 통하여 확인할 수 있습니다. 공기-유리의 경우 상대 굴절률이 1.50정도 이므로 대략 임계각이 42도 정도임을 알 수 있습니다. 광섬유도 이러한 전반사의 원리를 응용한 물질로서 좀 더 자세히 알아보도록 합시다. 광섬유의 원리 광섬유는 전반사의 원리를 이용하여 정보를 전달하고 있습니다. 오른쪽의 그림은 광섬유에 빛을 비추어 빛이 전반사를 하면서 전달되는 모습을 잘 보여주고 있지요? 광섬유 광섬유는 광통신에서 중요한 열쇠입니다. 광섬유의 주요한 일은 정보를 가진 빛을, 정보의 손실을 최소화하면서 유도하는 것으로, 광섬유는 진공 상태에서 빛을 광속의 약  2/3 속도로 전달할 수 있는 유리로 된 가는 실입니다. 내부반사 유리가 빛을 인도할 수 있을까요? 그 비밀은 완전한 내부 반사에 있습니다. 두 굴절되는 물체에 투사됨으로써, 빛을 한 점에서 다른 한 점으로 인도할 수 있습니다. 모든 내부 반사는 이 때문에 일어나게 됩니다. 위의 전반사에서 알아보았듯이 내부반사가 일어나는 이유는 다음과 같겠지요? 1. 광선이 밀도가 큰 쪽에서 밀도가 약간 작은 쪽으로 지나갔기 때문입니다. 이것은 유리가 공기보다 굴절률이 더 크기 때문에 생기는 경우입니다. 2. 투사각이 임계각보다 컸기 때문입니다. 파란 광선은 유리로 반사되고 빨간 빛은 굴절되었습니다.  빛을 장거리 유도하기 Step-Index 광섬유 step-index 광섬유는 중심이, 낮은 굴절률을 갖는 유리로 덮혀 있습니다. 광섬유와 연결된 광원은 섬유중심을 통해 빛을 투사하게 됩니다. 파란색이나 자홍색 빛만이 지그재그 경로를 따라서 인도될 것입니다. 그러나, 빨간빛과 같은 다른 빛들은 클래딩에서 굴절됩니다. 클래딩으로 전달된 빛은 적당한 상황에서 섬유로 인도될 수 있습니다. 이것은 클래딩모드라고 알려져 있는데, 클래딩모드로 전달된 빛은 급격히 약해지고, 장거리로 보았을 때 무의미해집니다. Graded-Index 광섬유 graded-index 광섬유는 굴절되는 index가 중심축을 따르는 거리에 따라 다양한 중심 유리로 이루어져 있습니다.  step-index 광섬유와 같이, 중심유리는 더 작은 굴절률을 가지는 유리로 덮여있습니다. Graded Index 광섬유에서의 빛의 유도 광선은 graded-index 광섬유와 step-index 광섬유가 모든 내부 반사에 있어서 같은 방향 으로 전달됩니다. 그러나, 굴절률의 변화 때문에 광선이 계속적으로 섬유축 방향으로 방향을 돌리게 됩니다. 광선이 주기적으로 한 점으로 쏠리게 되겠지요.    Graded-Index 광섬유 안에서의 인도 광선은 색깔이 바뀌는 것과 같이, 굴절률이 바뀜에 따라 계속적으로 방향을 돌린다.   신호감쇄 한 사람이 소리를 질렀을 때, 그 사람으로부터 더 멀리 떨어져 있는 노란 사람은 보라색 사람보다 더 작은 소리를 듣게 됩니다. 소리는 감쇄되지요. 비슷한 예로, 빛은 광섬유를 여행하며 감쇄됩니다. 광섬유로부터 나오는 빛은 초기에 전달된 정도보다 작습니다.  감쇄는 킬로 미터 당 데시벨로 나타내는데(dB/km). 이것은 광섬유의 투입, 산출량의 비율과 관련됩니다. 광섬유의 종류 단면적의 모양에 따라 같은 종류의 신호라도 다른 출력 신호가 나타나게 됩니다. 다음 그림은 단면적에 따른 광섬유의 종류와 신호의 형태를 보여주고 있습니다.   [출처] 40. 파동과 빛. 광통신|작성자 다이아몬드