빛
내용 요약
빛은 시신경을 자극하여 물체를 볼 수 있게 하는 일종의 전자기파이다. 전자파의 영역에서 파장은 일정한 범위에 있다. 가시광선으로 한정하는 경우도 있지만, 일반적으로 적외선·자외선, 짧은 파장인 X선과 감마선을 포함한다. 에너지의 전파경로를 광선이라 하는데, 빛을 광선 또는 이의 집합으로 취급하기도 한다. 빛의 본질에 대해 고대로부터 여러 주장은 있었으나 일반적으로 파동설과 입자설로 분류된다. 20세기에 이르러, 빛은 인위적인 빛인 레이저광과 더불어 응용광학의 전성기를 이루게 했다. 응용광학은 기초과학, 산업, 민생, 군용 등의 분야에서 중점기술로 발전하고 있다.
정의
시신경을 자극하여 물체를 볼 수 있게 하는 일종의 전자기파.
내용
전자파의 영역에서 파장은 일정한 범위에 있고, 주1으로 한정하는 경우가 있으나 일반적으로 적외선과 자외선을 포함한다. 더욱이 짧은 파장인 X선과 감마선을 포함하기도 한다. 파동으로서 성질을 강조하는 경우 광파라고 부르지만 이 때 각 파장은 대응되는 에너지의 광자를 가진다. 원자 · 분자들이 에너지 준위(準位) 간의 천이에 의해 빛을 흡수 또는 방출하는 것과 거의 비슷하다. 에너지의 전파경로를 광선이라 하고, 빛을 광선 또는 이의 집합으로 취급하기도 한다.
빛은 원래 눈을 자극하여 시각을 발생시키는 가시광선을 의미하고 이것을 응용한 역사는 인류의 발달사와 함께 한다. 나일강 근처 서기전 1900년에 축조된 세소스트리스(Sesostris) 2세의 피라미드에서 완벽하게 보존된 면경을 발굴, 고대 그리스의 철학자들이 사용한 볼록렌즈, 그리스의 수학자 에우클레이데스(Eukleides)가 서기전 300년에 저술한 『반사광학(Catopics)』에서 빛의 직진성과 반사의 법칙을 서술, 아리스토파네스(Aristophaneus)가 서기전 424년에 그의 희극 「구름(The Clouds)」에서 태우는 유리를 언급, 그리고 그리스의 철학자 플라톤(Palton)은 물에 잠긴 물체가 굽어보이는 현상을 언급한 것 등 많은 기록들이 있다.
이와 같이 고대 철학자들이 세상의 진리를 생각하는 근원으로서 빛의 본질과 시간의 원인을 해명하고자 시도한 것은 인간생활과 빛은 태고로부터 불가분의 관계에 있었다는 인식에서 비롯하였음이 분명하다. 현재에도 먼 거리의 천체와 극미의 세계로부터 보내오는 빛에 대해, 그 세계의 정보를 전달하는 사자로서, 또한 인간생활을 풍요롭게 할 수 있는 가능성에 대해 연구하고 있다. 빛의 현상을 연구하는 학문으로서 광학은, 17세기 초 독일의 천문학자 케플러(Keppler, J.)와 이탈리아의 과학자 갈릴레이(Galilei, G.)가 망원경을 제작한 때부터 시작되었다. 20세기에 이르러, 빛은 인위적인 빛으로서 레이저광과 더불어 응용광학의 전성기를 이루어 기초과학, 산업, 민생, 군용의 모든 분야에서 중점기술로 발전하고 있다.
빛의 본질에 대해 고대로부터 여러 주장은 있었으나 일반적으로 주2과 주3로 분류된다. 소리는 공기중에 파로서 전파되는 것처럼 빛은 매질 속을 전파하는 파라고 생각하는 것을 파동설이라 한다. 고대 그리스의 자연철학자 아리스토텔레스(Aristotles)는 이것을 빛의 본질이라고 주장하였다. 한편, 입자설은 물체에서 빛의 입자가 방출되고, 진공 또는 균일한 투명물체 속을 직진한다는 생각이다. 파동설은 매질입자가 좁은 범위 내에서 진동운동을 한다는 생각에 비하면, 입자설은 빛의 입자가 고속으로 이동하는 것이 된다. 영국의 수학자 · 물리학자 · 천문학자 뉴턴(Newton, Sir I.)은 1704년에 집대성한 『광학(Opticks)』에서 입자설을 논하고 있다.
같은 시대 탄성의 법칙으로 유명한 영국의 물리학자, 천문학자 후크(Hooke, R.)는 구면으로 전파하는 파면의 개념을 도입하고, 네덜란드의 호이겐스(Huygens, C)는 파동설을 강력히 주장하였다. 수면을 전파하는 파를 적은 구멍이 뚫린 물체로 차단할 때 구멍을 중심으로 동심원이 생성되는데 이것은 처음부터 존재하고 물체로 차단함으로써 발생하였다고 생각을 하고, 빛의 반사 · 굴절을 설명하였다. 그러나 빛은 차단하는 물체의 후방까지 뒤돌아서 전파한다는 회절현상의 설명까지에는 미흡하였다. 그 이외의 광학현상까지 포함하여 파동론을 일관하게 설명하는 것은, 19세기 프랑스의 물리학자 프레넬(Fresnel, A.J.)이 빛의 탄성파동론을 제안함으로써 가능하였다. 탄성파동론은 외력에 의해 저항성의 탄성체 속을 음파가 전파하는 것처럼, 빛은 특별한 탄성매질인 에테르(ether) 속을 전파하는 파라는 개념이다.
먼 거리에 있는 적은 물체를 한쪽 눈으로 보고 연필을 중간에 놓으면 물체는 가려진다. 이것은 물체 위의 한 점에서 나오는 빛은 직진성 때문에 연필의 뒷면까지 비추지 않은 때문이다. 빛의 직진성으로 광학현상을 다루는 분야를 기하광학이라 한다. 매질 A에 입사한 빛은 매질 A와 B의 경계면에서 일부는 반사, 나머지는 매질 B 속으로 굴절하여 진행한다면 입사 · 반사 · 굴절의 각 광선은 두 매질의 경계면에 세운 수직선과 함께 같은 평면 안에 존재한다. 반사의 법칙에 따라 α＝β이고, 굴절의 법칙은 다음과 같이 표현된다.
CD/EF=［CD/OC］/［EF/OE］＝sinα/sinβ＝n
여기서 n은 B의 A에 대한 비율이고 굴절율이라 하며, 입사각 α에 관계없이 결정되는 정수이다. 굴절의 법칙은 네델란드의 수학자인 스넬(Snell, Van R.W.)에 의해 발견되었으며, 이것을 스넬의 법칙이라 한다. 이와 같은 두 법칙을 종합한 것이 페르마의 원리(Fermat's Principle)이다. 이 원리에 따르면 굴절율이 일정한 매질 속에서 빛의 직진성과 굴절율이 연속적으로 변화할 때의 빛의 전파에 대해 결정할 수 있다. 17세기의 초반에 프랑스의 철학자 · 과학자 · 수학자 데카르트(Decartes, R.)는 그의 저서 『방법서설(Discours de la methode)』에서 세 가지 시론인 굴절광학 · 기상학 · 기하광학을 포함하고, 특히 빛의 본질을 논하고, 굴절의 법칙, 광학도구로서 눈을 고찰하고, 또한 대기중의 물방울에 의한 빛의 회절현상으로서 무지개를 설명하였다.
수면 위에 두 개의 돌멩이를 동시에 떨어뜨리면 두 개의 동심원파가 물결을 일으키고, 이의 마루와 마루, 골과 골은 겹치고, 마루와 골은 상쇄되면서 전파한다. 이것을 파의 간섭이라 한다. 영국의 의사 · 물리학자 · 고고학자인 토머스 영(Thomas Young)은 19세기 초에 파의 간섭과 동일한 현상을 빛에 대해 실험을 하였다. 그는 파동설의 기본개념인 간섭의 원리에 대한 이론을 발표하고 박막의 착색, 유리판 위의 렌즈에 비치는 무늬를 설명하였다.
그 이후 토머스 영과 동일한 생각을 전개한 프랑스의 물리학자인 프레넬은 호이겐스의 파동개념과 간섭의 원리를 합성하고 회절현상을 빛의 직진성과 함께 일관하게 설명하였다. 파는 물체에 의해 차단될 때 물체의 배후까지 전파하는 현상을 회절이라 한다. 음파의 경우 파장을 1미터로 가정하면 같은 크기의 물체 배후까지 소리는 들린다. 그러나 가시광의 경우 파장은 음파의 100만 분의 1 이하이므로 회절은 현저하게 적어서, 빛은 직진을 하고 물체는 선명하게 보인다. 그러나 머리털 크기만큼의 물체의 그림자를 보면 그림자 경계는 흐리고, 기하학적인 그림자의 경계부분, 빛을 쪼이는 부분에는 명암의 무늬 즉 회절무늬가 생긴다.
이와 같은 회절현상과 물체의 배후로 역행하는 파가 생기지 않는 이유를 설명하기 위해, 프레넬은 호이겐스의 원리를 부분적으로 수정하고 2차파의 진폭은 1차파와 2차파의 진행방향 사이의 각도에 반비례한다는 가설을 제창하였다. 이것은 19세기 말에 독일의 물리학자 키르호프(Kirchoff, G.R.)에 의해 파동방정식을 기초로 정식화되고 회절현상에 응용되었다.
17세기 후반 덴마크의 천문학자 뢰머(Roemer, C.)는 목성의 월식을 관측하였는데, 지구가 목성에 근접할 때와 멀리 떨어질 때 월식이 발생하는 시간을 확인하고 최초로 광속도 c＝2.1×{{#310}}m/초를 계산하였다. 19세기에 빛의 속도를 지구상에서 최초로 측정한 것은 프랑스의 물리학자 피조우(Fizeau, A.H.L.)이다. 그는 광원에 균일한 속도로 회전하는 톱니바퀴와 전송한 빛을 8,633m만큼 떨어져 있는 거울로 반사시켰다. 이것으로 c＝3.133×{{#310}}m/초를 계산하였다.
다음해 프랑스의 물리학자 푸코(Foucault, J.B.L.)는 피조우의 실험장치를 개량하고 톱니바퀴 대신 회전거울을 사용하여 c＝2.98×{{#310}}m/초를 계산하였다. 회전거울과 반사거울의 사이에는 물을 넣은 관을 놓고, 빛은 물속에서는 공기 속에서보다 느리다는 것을 발견하였다. 이의 결과는 광 에테르가 부분적으로 운동물체에 수반한다는 프레넬의 부분수반가설을 긍정한다. 19세기에 이르러 빛의 간섭과 회절의 현상을 입자설은 설명할 수 없었고, 파동설은 가장 가능한 것 처럼 보였으나 광 에테르의 성질에 의문이 제기되었다.
일반적으로 주4을 전파하는 파는 종파와 횡파가 있다. 공기는 체적변화에 대해 저항성이므로 체적변화의 파는 공기중에 음파로서 전파된다. 이 때 공기밀도의 진동방향은 파의 진행방향과 평행하게 되어있으므로 종파가 발생된다. 이것에 대해, 인접하는 분자간의 결합은 강력하므로 횡방향의 분자이동은 저항을 받는 경우 분자진동과 직각방향으로 파는 전파된다. 종파와 횡파의 속도를 각각 {{%306}}, {{%307}}라 하면 다음과 같다.
{{IMG}}
여기서 d는 매질의 밀도, K와 G는 체적탄성율과 강성율이고 압축, 횡방향의 지연에 대한 탄성을 나타내는 정수이다. 이와 같은 관계를 광 에테르에 적용하면 광속은 매우 빠르므로 K와 G는 매우 크고 d는 매우 적어져서 에테르는 매우 굳어지거나 희박하게 되어야 한다. 광행로차로 생각하면 에테르는 희박하여야 한다. 만약 희박하면 매질입자간의 결합은 약하게 되므로 공기처럼 종파만 존재한다. 그러나 빛은 횡파라는 것이 19세기 초에 밝혀짐으로써 에테르의 존재에는 의문이 제기되었다.
17세기의 중반에는 결정에 의한 빛의 굴절이 발견되었고, 이것을 호이겐스는 자세히 연구하였다. 방해석에 태양광선을 입사하면 세기가 같은 두 광선으로 분리된다. 이것들을 다시 한번 제2의 방해석에 입사시키면 이의 위치에 따라 빛의 세기가 서로 틀리는 두 광선으로 분리되거나 특별한 경우 하나의 광선만 투과되는 것을 관측하였다. 프랑스의 말러스(Malus, E.L.)는 유리창에서 반사된 태양광선이 호이겐스가 제2의 방해석으로 관측한 것과 같은 성질을 가지고 있는 것을 발견하였다. 이와 같은 실험을 통하여 태양광선은 주5에 대해 서로 직각방향으로 진동하는 횡파의 성분을 가지고 있다고 생각하고 이것을 정량적으로 설명하였다. 이것은 빛이 횡파라는 토머스 영의 가설을 실증하게 된다.
19세기 초 영국의 물리학자 · 화학자 패러데이(Faraday, M.)와 덴마크의 물리학자 · 화학자 에르스텟(Oersted, H.C.)는 전기와 자기 간의 밀접한 관계를 밝히고, 관계법칙으로부터 특정한 정수를 제안하였는데, 이것은 광속 c와 일치하였다. 독일의 물리학자 웨버(Weber, W.E.)와 크라우쉬(Kohlausch, R.H.)는 이것을 진공 중에서 실증하였다. 그보다 10년 전에 패러데이는 자장 중에 있는 어떤 물체에 한 방향으로 편행된 빛을 통과할 때 편행된 방향은 회전하는 바의 주6를 발견하였다. 이것은 빛과 전자현상 간에는 밀접한 관계가 있다는 것을 나타낸다. 영국의 물리학자 맥스웰(Maxwell, J.C.)은 패러데이의 생각을 정식화하고 전장과 자장은 파로써 전파되고 이것은 진공중의 광속 c와 같다고 예언을 하였다. 이것은 독일의 원자물리학자 헤르츠(Hertz, H.R.)가 전기방전의 실험으로 확인하였다.
빛을 전자파라고 하면 전자작용을 전파하는 매질, 즉 전자에테르는 광에테르이기도하고 이의 효과는 관측되어야 한다. 이것을 실증하려는 실험은 여러 과학자들이 시도하였다. 그러나 유명한 실험은 미국의 물리학자 마이켈슨(Michelson, A.A.) 등이 에테르의 바람이 광속에 미치는 영향을 조사한 것이다. 실험을 반복하였으나 이의 영향은 찾을 수 없었고, 지구와 에테르의 상대속도는 영으로 하여야 하고, 주7의 설명과 모순되는 결과를 얻었다.
1905년 독일의 이론물리학자 아인슈타인(Einstein, 주8은 동시라는 개념을 검토함으로서 에테르의 존재를 포함시키지 않고 일관된 설명을 할 수 있었다. 독일의 이론물리학자 플랑크(Planck, M.K.E.L.)는 고전론으로는 설명할 수 없는 공동방출(Cavity Radiation)의 관측사실을 이해하기 위해 에너지의 양자가설을 제안하였다. 5년 후 이것을 기초로 아인슈타인은 금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 광전효과를 설명하였다.
빛은 운동량 ｈ/λ＝hv/c 을 가지는 입자, 즉 광자로서 거동을 하며 이것을 광양자가설이라 한다. 여기서 v 진동수, λ는 파장, hv는 에너지이다. 이와 같은 입자적 성질은 미국의 물리학자 콤프톤(Compton, A.H.)은 X선과 전자의 산란실험에서 확인하였다. 입자와 파의 성질을 합쳐서 갖는다는 이중성은 빛뿐만 아니라 입자라고 보는 전자에도 존재하는 것이 실험으로 확인되었다. 주9으로는 이해할 수 없는 이중성은 1920년에 확립된 주10에 의해 모순 없이 기술되는 것은 분명하다.
주석
