[광학] 빛에 대한 연구와 특성 : 파동성과 산란

 

 빛의 이중성에 대한 논쟁 중 파동성에 힘을 실었던 과학자들의 실험을 소개해 보겠다. 대표적인 파동성의 근거로 전해지는 영의 실험은 다음과 같다. 단일광원으로부터 나오는 빛을 서로 가까이 위치한 두 개의 슬릿에 비추는데, 만약 빛이 아주 작은 입자로 구성되어 있다면 슬릿 뒤에 위치한 스크린상에는 두 개의 밝은 라인이 보여야 할 것이다. 그러나 영은 여러 개의 밝고 어두운 무늬를 관찰하였고 이 결과를 토대로 빛은 파동성을 가진다고 설명하였으며, 이는 파동의 간섭 현상이라고 하였다. 간섭(interference)이란 둘 또는 그 이상의 파동이 서로 만났을 때 중첩의 원리에 따라서 서로 더해지면서 나타나는 현상이다. 영의 이중 실틈 실험에서는 특정한 무늬를 발견할 수 있었는데, 밝은 곳과 어두운 곳 간섭은 보강간섭과 상쇄간섭이 존재하며, 보강간섭은 파장과 진폭이 같은 두 파동이 서로 만나서 파동의 진폭이 원래 파동의 2배, 세기는 4배가 되는 것이고 상쇄간섭은 이에 비해 파동의 진폭이 0 이 되는 경우를 말한다.

간단히 말해 보강간섭이 일어나면 밝고 상쇄간섭이 나타나면 어두워지며, 이러한 보강간섭과 상쇄간섭으로 생성된 밝은 무늬와 어두운 무늬가 일정한 무늬로 보이는 것이 바로 간섭무늬이다. 이러한 간섭무늬 간격으로부터 빛의 파장을 처음으로 측정할 수 있었다. 이중 슬릿에서 나오는 두 빛의 경로 차가 반파장의 짝수 배이면 보강간섭, 반파장의 홀수 배이면 상쇄 간섭이라고 하며 밝은 무늬 사이의 간격이나 어두운 무늬 사이의 간격을 계산해 낼 수 있었다. 따라서 이중 슬릿 사이의 간격과 간섭무늬 사이의 간격 그리고 이중 슬릿과 스크린 사이의 거리를 측정하면 "빛의 파장"을 구할 수 있다. 그리고 파장이 길수록, 이중 슬릿과 스크린 사이의 거리가 멀수록, 이중 슬릿 사이의 간격이 좁을수록 간섭무늬 사이의 간격은 넓어지게 된다. 영의 이중 실틈 실험에서 확인할 수 있었던 것은 간섭뿐만이 아니다. 실틈을 통과한 파동의 모양을 보면 파동이 좁은 틈을 지날 때 그 뒤편까지 파동이 전달되는 것을 확인할 수 있다. 이는 파동이 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상인 회절(diffraction)이다. 이는 간섭과 마찬가지로 입자가 아닌 파동에서만 나타나는 성질이다. 따라서 영의 실험은 빛의 파동성을 입증하는 데 크게 기여했다.

 하지만 알베르트 아인슈타인의 광양자설에 의해서 빛의 입자설은 다시 등장한다. 광양자설(light quantum theory)이란 특정 진동수의 빛은 그 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 입자인 광자(photon)로 구성되어 있다는 이론으로 광자 설이라고도 한다. 이는 빛을 파동으로 보았던 관점 대신 입자의 성질도 가지는 것으로 보는 양자역학적인 관점이다. 양자역학에 대해서는 다른 게시물에서 소개하였다. 

 

이러한 광양자설을 뒷받침하는 근거로는 광전효과가 있다. 광전효과(photoelectric effect)란 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상으로 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 간단하게 말해 물질이 빛을 흡수하여 광전자가 생기는 현상을 말한다. 이는 빛이 입자일 때만 가능한 현상이며 이에 따라 아인슈타인은 빛은 입자성을 띠고 동시에 간섭이나 회절 현상을 통해 파동성도 띤다는 것을 이야기했다. 그리하여 오늘날 우리는 빛은 이중성을 띠고 있다고 말하며 이를 정리하면 빛은 입자성과 파동성을 동시에 가지고 있고 입자성이란 하나의 물질로서 다른 물질에 충돌하면 충돌된 물질을 움직이게 하는 입자란 것이며, 파동성은 빛의 에너지가 마치 물결처럼 일정한 굴곡을 형성하고 있어서 그 간섭이나 회절 같은 현상이 일어나고 파장으로 인해 여러 가지 색깔을 나타내기도 한다는 것이다. 이처럼 빛은 오랜 기간 여러 과학자를 통해 입자성과 파동성이 왔다 갔다 하면서 오늘날에는 이중성으로 자리 잡게 되었다.

 빛의 파동성을 설명하는 현상 중 하나인 산란(scattering)이란 일반적으로는 균일한 매질 내에서 직진하고 있는 입자나 파동이 균일하지 않은 부분이나 다른 입자와 상호작용을 하여 그 경로가 바뀌는 것을 가리킨다. 전자기파의 산란은 크게 탄성 산란과 비탄성 산란으로 나눌 수 있다. 산란 전후의 전자기파 에너지가 변하지 않으면 탄성 산란, 증가하거나 감소하게 되면 비탄성 산란이라고 한다. 전자기파의 에너지는 주파수에 비례한다. 따라서 산란 전후에 전자기파의 주파수 또는 파장이 바뀌지 않는 경우를 탄성 산란, 바뀌는 경우를 비탄성 산란이라고 하는 것이다. 탄성 산란의 종류로는 레일리 산란과 미 산란이 있다. 레일리 산란(Rayleigh scattering)은 입자의 크기가 전자기파의 파장보다 매우 작은 경우에 발생하며 레일리 산란의 세기는 진동수의 네제곱에 비례한다. 파장이 짧을수록 산란의 강도가 커지는데 이는 공기 분자들에 의해 태양 빛 중 파장이 짧은 파란색 영역의 빛이 산란하여 하늘색이 파랗게 보이는 것으로 사례를 들 수 있다. 일출과 일몰 시에는 태양 빛이 대기권을 통과하는 경로가 길어지게 되므로 파란색의 빛이 산란으로 감쇠되어 파장이 긴 붉은색의 빛이 투과되어 하늘이 붉게 보이게 되는 것이다. 미 산란(Mie scattering)은 입자의 크기가 빛의 파장보다 큰 경우에 발생하는 것으로 구름에 있는 물방울의 크기가 가시광선 영역의 파장보다는 매우 크므로 가시광선 영역의 빛들이 전부 산란하여 하얀색으로 보이게 되는 것이다. 하얀 구름이나 하얀 담배 연기 등이 미 산란의 예시가 된다.

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