[광학] 빛의 특성과 스펙트럼 : 가시광선부터 라디오파까지

 

 우리 인류는 오래전부터 지금에 이르기까지 빛을 사용해 왔다. 또한 이 빛이라는 존재는 우리가 살아가는 데 있어서 없어선 안 될 존재이기도 하다. 빛이란 우리의 눈을 자극하여 물체를 볼 수 있게 하는 것으로, 좀 더 자세히 말하면 사람의 눈으로 들어와 시각 신호를 만들어낼 수 있는 전자기파이다. 여기서 전자기파(electromagnetic wave)란 수직인 방향으로 진동하는 전기장과 자기장의 두 진동면에 모두 수직인 방향으로 진행하는 파 또는 파동을 말하며 이는 빛을 파동의 성질로 볼 때 사용하는 말이다. 이 내용은 다음에 더 자세히 다룰 것이다. 사람의 눈으로 들어오는 빛은 가시광(visible light)이라고 하며 가시광에 해당하는 빛들이 모여있는 영역을 가시광선 영역이라고 한다. 과거에는 가시광선, 즉 사람의 눈에 보이는 것들만 빛이라고 생각하였으나 현대에는 빨간색 가시광선보다 파장이 긴 적외선, 마이크로파, 라디오파 그리고 보라색 가시광선보다 파장이 짧은 자외선, x선 등의 전자기파들을 모두 포함하여 빛이라고 한다. 파장(wavelength)이란 연속적인 두 파동의 동일한 지점 간의 거리 즉, 같은 모양이 반복되는 최소 길이를 말한다. 각각의 고유한 파장의 값이 다르기 때문에 빛들은 모두 다른 특성을 가지게 된다.

 

 가시광선은 우리 눈에 보이는 빛으로 그 빛은 우리에게 색채로 지각된다. 범위는 대략 380~780nm이고, 이 범위 내의 빛들은 모두 그 빛마다 고유한 파장을 가지고 있는데, 보라색에 가까울수록 파장이 짧고 빨간색에 가까울수록 파장이 길다. 가시광선 영역의 모든 빛을 합치면 백색이 되는데 이는 백색인 태양 빛을 프리즘에 통과시켜 보면 확인할 수 있다. 태양 빛을 프리즘에 통과시키면 우리가 알고 있는 무지개 색으로 분리가 된다. 이는 분산에 의한 것인데, 분산(dispersion)이란 빛이 파장에 따라 굴절되는 정도가 달라서 색깔이 분리되는 현상을 말한다. 굴절되는 정도는 굴절률이라고 하며, 이는 빛이 어떤 물질의 표면 등으로 입사할 때 물질 내에서의 빛의 속도가 줄어든 비율이다. 굴절률은 진공에서의 빛의 속도를 물질 내에서의 빛의 속도로 나눈 것으로 정의한다.

 

 

 우리 눈에는 보이지 않는 빛들도 존재한다. 파장이 가시광선이 1/1000배에 해당하는 X선(X-ray)은 빠른 전자를 물체에 충돌시킬 때 방출되는 투과력이 강한 전자기파 혹은 복사선이다. 파장이 짧다는 것은 그만큼 투과력이 강하다는 것과 같다. 이러한 X선을 흡수하는 정도는 물질마다 다르고 밀도가 높은 물질일수록 X선은 투과하기가 어렵다. 이 때문에 X선을 조사한 물질의 뒤쪽에 형광판이나 사진 필름 등을 놓게 되면 그 물질 내부의 조직 상태를 관찰할 수 있게 되는데, 우리는 오늘날 이를 이용하여 몸속의 뼈를 관찰하는 X-ray 촬영을 하는 것이다. 파장이 X선보다는 길지만 가시광선보다는 짧은 전자기파, 자외선(Ultraviolet ray)은 10~290nm의 파장 범위를 갖는다. 짧은 파장을 갖는 자외선은 사람의 피부를 태우거나 살균작용을 하며 과도하게 노출될 경우 피부암에 걸릴 수 있어 조심해야 한다. 자외선은 광자가 가지고 있는 에너지를 기준으로 나누기도 하는데 이때 에너지 범위는 3~124eV 정도이다. 광자(photon)란 입자로서의 빛으로 빛알 이라고도 한다. 이는 빛을 입자의 성질로 볼 때 사용하는 말로 빛은 입자성과 앞에서 언급한 파동성을 둘 다 가지고 있다. 가시광선보다 파장이 긴 적외선(infrared ray)은 파장 범위가 700~1mm 정도이며 이를 파장에 따라 분류하면 0.75~3mm의 적외선을 근적외선, 3~15mm의 것을 적외선, 그리고 25mm 이상을 원적외선이라고 한다. 적외선은 우리 눈에는 보이지 않지만, 피부에 흡수되어 온열 효과를 내므로 피부를 통해서 적외선을 감지할 수 있고, 물체마다 특정 온도에서 내는 파장대에서 발산하는 적외선을 추적할 수 있어, 우리 눈에 보이지 않는 물체를 추적할 수도 있다. 따라서 온열기나 적외선레이저 등에 이용되고 우리 눈에 보이지 않는 파장대의 전자기파를 눈으로 볼 수 있게 해주는 광학장비인 망원경이나 카메라 등에도 많이 이용되고 있다.

 

 

 적외선보다는 파장이 길지만 라디오파보다는 파장이 짧은 대역에 존재하는 마이크로파(microwave)는 초단파라고도 불리며 파장이 1mm~1m이며 이 파는 공기, 유리, 종이 등을 잘 통과하며 금속에 의해선 반사가 되고 식품이나 물 등에서는 흡수되는 특징을 가지고 있다. 흡수된 마이크로파는 열로 변환되기 때문에 오늘날 우리는 마이크로파를 전자레인지에 사용하고 있다. 또한 대기의 투과성이 뛰어나 센서나 레이더로 활용되고 있다고 한다. 방금 언급한 마이크로파 보다 파장이 더 그림 4 전자기파 스펙트럼 및 빛의 파장 범위 긴 라디오파(radio wave)는 파장이 몇 m에서 수천 km에 이르는 전자기파로 주파수는 수백 Hz에서 몇 수백만 Hz에 해당한다. 주파수(Frequency)란 진동수라고도 하고 1초 동안 진동한 횟수를 말하며 주기를 1로 나눈 값으로 정의한다. 주기란 그림 5에 나와 있듯 똑같은 모양이 일정한 간격을 두고 반복될 때 이 반복이 일어나는 데 걸리는 시간을 말한다. 이때 단위는 Hz(Hertz, 헤르츠)를 쓴다. 라디오파는 대부분 다른 곳에 흡수되지 않고 반사가 되며 지표면의 곡면을 통하여 멀리까지 진행할 수도 있다. 이러한 파는 만들기도 쉽고 신호의 감지가 잘 되기 때문에 통신용으로 많이 이용되고 있다.

 

 

 라디오파는 우주 공간의 많은 별들과 성운에서도 방출되며 이것을 이용하여 우리는 우주를 관측할 수 있다. 또한 라디오파는 그 파장에 따라서 장파, 중파, 단파로 나뉘는데 장파(long wave)는 해안이나 선박용 AM 라디오 방송 등에 이용되고 중파(medium wave)는 AM 라디오 방송, 단파(short wave)는 경찰이나 항공기 라디오 등에 이용된다. 또한 파장이 라디오파에 속하지만 세분했을 때 마이크로파에 속하기도 하는 극초단파(UHF, Ultra High Frequency)는 텔레비전 방송, 디지털 텔레비전 방송 등에 이용되며 극초단파와 장파 사이에 존재하는 초단파(VHF, Very High Frequency)는 FM 라디오, 텔레비전 방송 그리고 원격 조정 장난감 등에 이용된다. 바로 앞에서 언급한 AM과 FM은 정보를 보내는 방법으로 신호의 강약을 조절하여 정보를 보내는 방법을 AM(진폭 변조)이라 하고 주파수를 변조하여 정보를 보내는 방법을 FM(주파수 변조)이라고 한다. AM 파는 FM에 비해 한번 출렁거림(파장)이 커서 비교적 더 멀리까지 잘 전달되는 특징이 있다.

 

 

 

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