빛

빛은 무엇이고 전자기파와 어떤 관계인가요

물리학에서는 보통 넓은 뜻을 써요. 전자기파는 광자라는 작은 덩어리의 흐름이고, 라디오파, 가시광선, 감마선의 차이는 광자 하나가 가진 에너지뿐이에요. 에너지가 가장 낮은 것이 전파이고, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 순으로 높아져요.

옆으로 밀어 보기

에너지가 낮은 광자는 파동처럼, 높은 광자는 입자처럼 행동하는 경향이 있어요. 빛이 무엇인지가 다른 게 아니라 어떻게 행동하는지가 다른 거예요.

빛의 파장과 진동수와 에너지는 어떻게 이어지나요

빛의 속도 c, 파장 λ, 진동수 ν 사이에는 파장 = 속도 ÷ 진동수라는 관계가 있고, 광자 에너지는 플랑크 상수 h에 진동수를 곱한 값이에요. c = 299,792,458m/s예요. 속도는 항상 일정하기 때문에 진동수가 높아지면 한 번 진동할 때 나아가는 거리인 파장은 짧아져요.

주파수는 빛이 1초 동안 진동하는 횟수이고 단위는 Hz예요. 한 번 진동하는 데 걸리는 시간은 주기, 마루에서 다음 마루까지의 거리는 파장이에요. 파장과 주파수는 서로 반대로 움직여요.

옆으로 밀어 보기

고전 물리학에서 빛은 매질 없이 퍼져 나가는 전자기파예요. 전기나 자기를 띤 물질이 가속 운동하면 전자기파가 나와요. 양자 물리학에서는 아인슈타인의 광양자 가설에 따라 빛이 일정한 에너지를 가진 양자로 되어 있어서 입자이면서 파동인 이중성을 가진다고 봐요.

빛의 성질은 어떤 실험으로 확인하나요

옆으로 밀어 보기

굴절률은 진공에서의 빛의 속도를 물질 속 속도로 나눈 값이라 물질 속에서는 항상 1보다 커요. 물에서 빛의 속도는 진공의 약 4분의 3이에요. 빛은 물체에 압력을 주기도 해서, 우주에서는 작은 소행성의 자전을 빠르게 하고 태양 돛으로 우주선을 가속하는 연구가 진행돼요.

빛은 어떻게 만들어지나요

모든 빛은 원자에서 나와요. 원자가 다른 빛을 흡수하거나 다른 입자와 부딪혀 에너지를 얻으면 들뜬 상태가 되고, 아주 짧은 시간 뒤 에너지를 내놓으며 원래 상태로 돌아갈 때 빛이 생겨요.

옆으로 밀어 보기

물체가 뜨거워질수록 빛의 최대 세기는 적외선에서 붉은색을 지나 파란색으로, 결국 자외선으로 이동해요. 금속을 가열할 때 붉은빛보다 푸른빛이 더 높은 온도라는 뜻이에요. 인광 물질은 야광시계 바늘에 쓰이고, 음극선으로 인광 물질을 들뜨게 하는 방식은 브라운관 텔레비전과 모니터에 쓰였어요.

눈에 보이는 빛은 어디까지인가요

가시광선의 범위는 문서마다 약간 달라요. 위키백과는 380~800nm를 넓은 범위, 420~680nm를 좁은 범위로, NASA는 380~700nm로 적어요. 이 숫자가 사람의 시각의 절대 한계는 아니에요. 이상적인 실험실 조건에서 사람은 적어도 1,050nm의 적외선까지 볼 수 있고, 어린이와 젊은 성인은 약 310~313nm 아래의 자외선도 볼 수 있어요.

가시광선보다 에너지가 낮은 적외선 광자는 망막의 시각 분자에 지속적인 변화를 일으킬 에너지가 부족해서 안 보여요. 가시광선보다 짧은 약 360~400nm 아래의 자외선은 각막과 수정체가 흡수해서 대부분 안 보이고, 오히려 망막의 간상체와 원추체를 손상시킬 수 있어요. 뱀은 적외선을 감지하는 세포로 열 영상 같은 정보를 얻어요.

빛의 속력과 이론의 역사는 어떻게 이어졌나요

속력 측정은 오래 이어졌어요. 푸코가 1862년 회전하는 거울로 2.98×10의 8제곱m/s를 얻었고, 마이컬슨은 1877년부터 1931년까지 측정을 이어 1926년에 2.99796×10의 8제곱m/s를 얻었어요. 지금은 진공에서 2.99792458×10의 8제곱m/s를 쓰고, 미터 자체를 1/299,792,458초 동안 빛이 이동한 거리로 정의해요. 이 속력이면 1초에 지구를 일곱 바퀴 반 돌고 달까지 1초 남짓 걸려요.

옆으로 밀어 보기

뉴턴은 프리즘으로 분해한 색 하나를 다시 프리즘에 통과시켜도 더 갈라지지 않는다는 실험으로 프리즘이 빛의 성질을 바꾸는 게 아님을 보였어요. 하위헌스는 빛이 교차할 때 서로 방해받지 않고 지나간다는 이유로 파동설을 주장했고, 파동설은 소리 같은 파동처럼 매질이 필요하다는 약점이 있어서 가상의 에테르가 제안됐다가 마이컬슨과 몰리의 실험을 거치며 강한 의심을 받았어요.

빛은 생활 속에서 어디에 쓰이나요

우리가 사물을 보는 것은 광원에서 나온 빛이 물체에 산란되어 눈에 닿기 때문이에요. 태양과 별 같은 자연광, 전등 같은 인조광이 있어요. 야광시계, 네온사인, 브라운관 텔레비전, 백열등, 반딧불의 빛이 모두 같은 원리에서 나왔어요.

빛이 물체를 미는 힘도 연구에 쓰여요. 빛이 누르는 힘은 빛의 힘을 속도로 나눈 값이라 아주 작아서, 1밀리와트 레이저 포인터가 물체에 가하는 힘은 약 3.3피코뉴턴이에요. 미국 1센트 동전을 이 힘으로 들어 올리려면 약 30억 밀리와트의 레이저 포인터가 필요해요. 그래도 나노미터 크기의 장치에서는 빛의 압력이 중요해져서, 나노 기계를 움직이거나 집적 회로 속 나노미터 크기의 스위치를 누르는 연구가 활발해요. 우주에서는 이 압력으로 소행성의 자전이 빨라지고, 태양 돛으로 우주선을 가속하는 연구가 이어져요.

빛의 압력과 헷갈리기 쉬운 장치가 크룩스 복사계예요. 빛을 받아 날개가 도는 모습이 빛의 압력 때문처럼 보이지만 그 해석은 부정확하고, 회전은 진공 상태 때문에 나타나는 현상이에요. 빛의 압력이 곧바로 토크를 만드는 장치는 니콜스 복사계예요.

빛과 관련해 함께 배우는 개념에는 무엇이 있나요

• 광학: 빛을 연구하는 현대 물리학의 중요한 분야예요.
• 광자: 빛이 가진 작은 에너지 덩어리예요. 광자 하나의 에너지가 진동수와 파장을 정해요.
• 전자기 스펙트럼: 빛을 파장, 진동수, 에너지로 나눠 늘어놓은 것으로 서로 정확한 수식으로 연결돼요.
• 냉광: 열을 내지 않고 내는 빛이에요.
• 광전 효과: 빛이 금속 표면에 부딪힐 때 전자가 튀어나오는 현상으로 1887년 독일의 헤르츠가 우연히 발견했어요. 튀어나오는 전자의 에너지는 빛의 세기가 아니라 진동수에 비례하고, 어떤 진동수보다 낮은 빛은 세기가 세도 전자를 내보내지 못해서 파동설로는 설명하기 어려웠어요. 1905년 아인슈타인이 빛 입자인 광자를 내세워 해결했고 이 공로로 노벨 물리학상을 받았어요.
• 플랑크의 양자: 1900년 막스 플랑크가 흑체 복사를 설명하려고 빛이 진동수에 맞는 덩어리 단위로만 에너지를 얻거나 잃는다고 제안했어요.
• 물질파: 빛이 입자도 된다면 입자로 보던 전자는 파동이 될 수 있다는 생각으로, 1924년 루이 드 브로이가 물질파 이론을 내놓았고 1927년 데이비슨이 전자의 파동성을 실험으로 보였어요.
• 편광: 빛의 기본 특성은 세기, 진행 방향, 주파수나 파장 분포, 편광이고, 프레넬은 빛이 가로파이면 편광도 파동설로 설명된다고 보였어요.

빛에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 빛은 눈에 보이는 것만이다: 물리학에서는 전파부터 감마선까지 모두 빛이에요.
• 빛은 파동 아니면 입자 하나다: 어느 쪽으로 설명하든 에너지를 가진다는 사실은 같고, 두 성질을 모두 가져요.
• 빛의 속도는 어디서나 같다: 진공에서의 값이 299,792,458m/s이고 물질 속에서는 더 느려요.
• 금속은 빛을 흡수한다: 이상적인 금속은 빛을 100% 반사해요.