[광학] 빛에 대한 연구와 특성 : 입자성

 

 우리의 생활 속에서 너무나도 당연하게 사용되고 있는 빛은 과거에 이 정체를 알아내는 게 쉽지 않았다. 빛에 대한 연구가 본격적으로 시작된 것은 17세기부터라고 할 수 있다. 반사 망원경을 만든 뉴턴(Issac Newton, 1642~1727)은 빛의 직진성을 이유로 빛은 입자로 되어 있다고 주장하였다. 그러나 뉴턴과 동시대를 살았던 하위헌스(Chritian Huygens, 1629~1695)가 편광 및 복굴절 현상을 발견하여 빛은 파동이라는 이론이 시작되었다. 이후에 이중 실틈 실험을 행했던 영(Thomas Young, 1773~1829)에 의하여 파동 이론이 점차 주목받다가 프레넬(Augustin Jean Fresnel, 1788~1827)의 수학적 이론에 의해 빛의 파동 이론은 자리 잡게 되었다. 또한 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)의 전자기 이론을 기초로 하여 빛은 빛, 열, 전자기파를 전달하는 가정적인 매체(매질)인 에테르에 의해 전파되는 전자기 파동으로 결론지어졌다. 그러나 플랑크(Max Karl Ernst Ludwig Flank, 1858~1947)의 양자역학 개념을 이용하여 아인슈타인(Albett Einstein, 1879~1955)이 빛은 작은 에너지 덩어리라 주장하면서 본격적인 빛의 입자설이 시작되었다. 이는 초기 양자론을 발표한 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962)를 지나 현대양자론에 의하여 비교적 매끄럽게 설명되었다.

 현재는 빛의 파동성과 입자성 중 누구도 어느 하나를 부정하지 않는다. 현상과 상황에 따라서 빛은 양쪽 성질 중에 더 우세한 경향을 가지기 때문이다. 결론적으로 빛은 입자성과 파동성을 둘 다 가지고 있는 "이중성"을 가지고 있다고 할 수 있다. 각 과학자가 빛의 입자성이나 파동성을 설명하기 위해 행했던 실험이나 이론을 알아보면 다음과 같다. 빛의 입자성을 가장 먼저 세상에 알린 뉴턴은 반사 망원경을 만들었다. 반사 망원경이란 물체로부터 나오는 빛을 반사하는 곡면 거울들을 조합하여 상(image)을 만드는 망원경이다. 반사(reflection)란 빛이나 소리와 같은 파동이 진행하다가 매질의 경계면을 만날 때, 그 파동에너지가 입사하는 매질 방향으로 되돌아가는 것이다.

이 현상을 쉽게 이해하기 위해서 우리는 광선 근사를 이용한다. 광선 근사(ray approximation)란, 빛의 전파될 때 빛의 파면에 수직인 방향을 연결한 선을 광선으로 근사하는 것이다. 이것을 이용하면 빛의 진행을 "직선" 혹은 "곡선"으로 간단하게 나타낼 수 있다. 만약 광선이 만나는 경계면이 거울처럼 매끈한 경우, 경계면의 수직선인 법선과 입사광선 사이의 각도로 정의 되는 입사각이 반사각과 같으며, 이를 반사의 법칙이라고 한다. 공기-유리 경계면에서 빛이 진행하는 경우에는 빛이 경계면에서 반사하기도 하지만 일부는 경계면을 통과하기도 한다. 이를 굴절이라고 하며 이는 스넬의 법칙에 의해 굴절의 법칙이 정의된다. 임계각( critical angle)은 매질의 경계면에 광선이 입사할 때, 모두 반사될 뿐 굴절되는 광선은 전혀 없는 내부 전반사가 시작하는 입사각이다. 이는 추후 자세히 다룰 예정이다.

 뉴턴이 빛은 입자라고 하였던 근거 중 하나인 직진성은 우리 생활에서도 쉽게 관찰할 수 있다. 창문 틈으로 새어 나온 빛이 곧게 뻗어나가고, 어두운 방에서 손전등을 벽에 비추면 빛이 벽을 향하여 똑바로 나아간다. 벽을 향하여 나가는 빛을 손이나 물체로 가리면 벽에는 그 물체의 그림자가 생기는데 이는 직진하여 나오는 빛이 물체에 가려 벽에 도달하지 못해 생기는 현상이다. 또한 직진해 오는 빛을 거울에 갖다 대면 이 빛은 거울에 의해 반사되는 데, 반사되는 빛 또한 계속해서 직진한다. 이는 빛이 직진하는 입자이기 때문에 발생하는 현상이며 뉴턴은 이를 근거로 빛이 입자라고 이야기하였다. 하지만 하위헌스가 편광과 복굴절 현상을 발견하게 되면서 파동성이 이목을 끌게 되었다. 편광(polarization)이란 빛의 전기장 방향이 일정하게 고정되거나 규칙적으로 바뀌는 현상을 말한다. 파동성이란 빛의 에너지가 마치 물결처럼 일정한 굴곡을 형성하고 있음을 이야기하므로 전기장의 방향에 따른 현상인 편광은 파동성의 근거가 되었다.

복굴절(double refraction) 이란 입사한 빛이 서로 방향이 다른 2개의 굴절로 갈라지는 현상으로 1699년 E. 바르톨리누스가 방해석에서 처음으로 관찰하였다. 굴절한 빛 중 하나는 굴절의 법칙인 스넬의 법칙을 만족시키지만 (정상광선), 다른 하나는 굴절의 법칙을 만족시키지 않는다 (이상광선). 복굴절 한 빛은 모두 편광되기 때문에 이 또한 파동성의 근거가 되었다. 또한 하위헌스는 파가 진행하는 모양을 그림으로 구하는 방법을 알아내었는데 이 방법을 하위헌스의 원리(Huygens' principle)라고 한다. 하위헌스의 원리는 어느 순간의 파면이 주어지면 다음 순간의 파면은 주어진 파면 상의 각 점이 각각 독립한 파원이 되어 발생하는 이차적인 구면파에 공통으로 접하는 면, 즉 포락 면이 된다는 것이다. 이 원리는 하위헌스가 발표한 파동설의 광파의 진행 상태를 나타내는 데 사용했으며 빛의 직진성이나 굴절, 반사 등 당시 뉴턴의 빛의 입자설에 기초가 된 여러 가지 현상도 이 원리를 바탕으로 파동설의 입장에서 설명할 수 있었다. 빛의 파동성에 대해서는 다음 게시물에서 자세히 다루도록 하겠다.

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