빛
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1. 개요
빛은 고대부터 종교, 철학, 과학 등 다양한 분야에서 연구되어 온 현상으로, 전자기파의 일종으로 정의된다. 빛에 대한 이해는 인류 문명의 발전과 함께 진화해 왔으며, 고대 그리스, 인도, 이집트 등 여러 문명에서 다양한 이론이 제시되었다. 빛은 직진, 반사, 굴절, 투과, 흡수, 간섭, 회절, 편광 등 다양한 성질을 가지며, 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역은 인간이 인지할 수 있는 빛의 범위이다. 빛의 속력은 진공에서 299,792,458m/s로 일정하며, 광원에는 자연광과 인공광이 있다. 자연광에는 태양, 별, 오로라 등이 있으며, 인공광에는 백열전구, 형광등, LED, 레이저 등이 있다. 빛은 과학 연구, 기술 개발, 예술 등 다양한 분야에서 활용되며, 현대 물리학에서는 입자성과 파동성을 동시에 지닌 현상으로 설명된다.
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방사선 공포증은 초기 라디오 방송 공포에서 시작되어 원자력 실험과 의료용 X선 공포로 확장되었으며, 핵실험, 방사능 피해 사례, 원전 사고 등을 거치며 사회적 불안과 편견, 차별을 심화시키는 과도한 방사선에 대한 두려움을 의미한다. - 방사선 - 전자기파
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| 빛 | |
|---|---|
| 빛 | |
| 정의 | 인간이 볼 수 있는 전자기파 |
| 파장 범위 | 400–700 나노미터 |
| 속도 | 299,792,458 m/s |
| 현대 물리학 | |
| 주요 개념 | 시공간 공간 시간 에너지 물질 일 무작위성 정보 엔트로피 빛 입자 파동 |
| 주요 분야 | 응용 물리학 실험 물리학 이론 물리학 수리 물리학 물리학 철학 양자 역학 양자장론 양자 정보 양자 컴퓨팅 전자기학 약한 상호작용 전약력 강한 상호작용 원자 물리학 입자 물리학 핵물리학 원자 분자 광학 응집물질물리학 통계 물리학 복잡계 비선형 동역학 생물물리학 신경물리학 플라스마 물리학 특수 상대성이론 일반 상대성이론 천체물리학 우주론 중력 이론 양자 중력 만물 이론 |
| 주요 과학자 | 빌헬름 뢴트겐 에드워드 위튼 앙리 베크렐 헨드릭 로런츠 막스 플랑크 피에르 퀴리 빌헬름 빈 마리 퀴리 아르놀트 조머펠트 어니스트 러더퍼드 프레더릭 소디 헤이케 카메를링 오네스 알베르트 아인슈타인 프랭크 윌첵 막스 보른 헤르만 바일 닐스 보어 헨드릭 크라머르스 에르빈 슈뢰딩거 루이 드 브로이 막스 폰 라우에 사티엔드라 나트 보스 아서 콤프턴 볼프강 파울리 어니스트 월턴 엔리코 페르미 요하네스 디데릭 반데르 발스 베르너 하이젠베르크 프리먼 다이슨 피터 제이만 헨리 모즐리 데이비드 힐베르트 쿠르트 괴델 파스쿠알 요르단 폴 디랙 유진 위그너 스티븐 호킹 필립 워런 앤더슨 조르주 르메트르 조지 패짓 톰슨 앙리 푸앵카레 존 아치볼드 휠러 로저 펜로즈 로버트 밀리컨 요이치로 남부 존 폰 노이만 피터 힉스 오토 한 리처드 파인만 양전닝 리정다오 필리프 레나르트 압두스 살람 헤라르뒤스 엇호프트 마르티뉘스 펠트만 존 스튜어트 벨 머리 겔만 조지프 존 톰슨 찬드라세카라 벤카타 라만 로런스 브래그 존 바딘 윌리엄 쇼클리 제임스 채드윅 어니스트 로런스 안톤 차일링거 새뮤얼 하우드스미트 조지 율렌베크 모하마드 레자 조디 |
2. 역사
빛에 대한 이해는 인류 문명의 발전과 함께 꾸준히 발전해 왔다. 고대 그리스, 인도, 이집트 등 여러 문명에서 빛에 대한 다양한 이론과 철학적 논의가 이루어졌다.
기원전 5세기 엠페도클레스는 모든 물질이 불, 공기, 흙, 물의 4원소로 구성되어 있다고 보았으며, 아프로디테가 이 4원소로 인간의 눈을 만들었고 눈에서 나오는 빛이 시각을 가능하게 한다고 믿었다.[31] 기원전 300년경 유클리드는 빛의 직진성과 반사의 법칙을 기술했다.[32] 플라톤은 '동굴의 비유'에서 태양을 선의 이데아와 연결지었다.
고대 인도에서 삼크야 학파와 바이셰시카 학파는 빛을 기본적인 미세 요소 중 하나로 보았다.[34] 비슈누 푸라나에서는 햇빛을 '태양의 일곱 광선'이라고 언급했다.[34] 불교에서는 빛을 에너지와 동등한 원자적 실체로 보았다.[34]
고대 이집트에서는 태양신 라 숭배 등 빛을 신성시하는 문화가 있었다.
신플라톤주의에서는 빛의 강약과 농담(濃淡)을 통해 세계의 다양성을 설명하려 했으며, 철학과 신비주의가 융합되어 있었다. 플로티누스는 “일자(一者)”, “지혜(叡智, 누스)”, “영혼”의 3원리로 세계를 설명했는데, “일자”는 그 자체로 파악될 수 없는 빛 그 자체이고, “지혜(누스)”는 “일자”를 반영하는 태양이며, “영혼”은 “지혜”를 받아 빛나는 달과 별이라고 하여, 빛의 비유로 세계를 설명하는 논리를 제시했다. 이 신플라톤주의는 마술, 헤르메스주의, 영지주의에도 영향을 미쳤다고 여겨진다.[14]
신약성서의 요한복음 9장 5절에서는 예수가 “내가 세상에 있는 동안 세상의 빛이니라”라고 말한다. 또한 예수는 제자들과 군중에게 “너희는 세상의 빛이라”( 세상의 소금과 세상의 빛)고 말한다. 프세우도-디오니시오스는 아버지 하나님이 광원(光源)이며, 빛이 예수 그리스도이고, 예수는 천상계의 이데아를 드러내고 사람들의 영혼을 비추며, 빛에 의한 조명이 사람에게 인식을 준다고 했다. 이 사상은 기독교 세계의 사상에 다양한 형태로 영향을 미쳤다. 흔히 빛은 정의, 어둠은 악으로 보는 이원적인 대립으로 비유되었다.[14]
영지주의에서는 빛과 어둠의 이원적인 대립으로 세계를 설명했다.[14]
르네 데카르트는 빛이 발광체의 기계적 특성이라고 보았다. 아이작 뉴턴은 빛이 광원에서 방출되는 미립자로 구성되어 있다고 주장하는 입자설을 주장했다. 그는 빛의 입자가 오드 지역화 웨이브를 만들 수 있게 함으로써 빛의 회절 현상을 설명했다.[15] 1704년 뉴턴은 그의 광학 이론을 집대성한 책 《광학》을 출판하였다. 뉴턴의 명성 때문에 입자설은 18세기 동안 정설로 확고한 위치를 지켰다.
크리스티안 하위헌스는 빛이 에테르라는 매질을 통해 전파되는 파동이라고 주장하는 파동설을 주장했다. 1690년 그의 빛에 관한 이론인 ‘빛에 관한 논문’을 발간하였다. 그는 빛의 파동을 전하는 매질로 우주 전체에 정지한 상태로 퍼져있는 에테르라는 물질이 있다고 주장했다. 뉴턴의 입자설과 하위헌스의 파동설은 둘 중 우세하다는 증거는 발견되지 않았으나, 뉴턴의 명성에 의해 입자설이 더 많이 지지를 받았다.
19세기가 되어 토머스 영은 빛의 간섭 실험을 발표하면서 빛의 입자설에 대한 확실한 반론이 나왔다. ‘파동의 간섭’이란, 두 파동이 중첩되었을 때 마루들은 보강간섭을 하고 골들은 소멸 간섭을 하여 줄무늬를 만드는 현상이다. 이런 파동의 간섭현상이 빛에서도 나타난 것을 영의 이중 슬릿 실험에 의해 밝혀졌다. 이런 줄무늬를 간섭 무늬라고 한다. 1803년 런던 왕립 학회에서 처음 이 실험을 발표했을 때, 학계의 권위에 부딪혀 받아들여지지 않았다. 그러나 이후 1818년 프랑스의 오귀스탱 장 프레넬은 빛의 회절을 파동설로 설명하였고, 1850년 프랑스의 레옹 푸코가 빛의 속도를 측정함으로써 파동설이 받아들어지게 되었다.
가시광선을 포함한 모든 전자파는 전자기 이론으로 설명된다. 1867년 영국의 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기가 밀접하게 관련되어 있음을 수식으로 나타내고, 이들의 상호작용으로 파동이 발생하여 전파된다는 것을 알아냈다. 전자기력은 파동 형태로 전파되며, 전자기파는 서로 직각으로 진동하는 전기장과 자기장의 두 성분을 갖는다. 맥스웰은 진공에서 전자기파의 속도를 계산하여 빛의 속도와 일치함을 확인하고, 빛이 전자기파의 한 형태라고 결론 내렸다. 이는 빛의 파동설을 수학적으로 뒷받침했다.[16]
빛이 금속 표면에 충돌할 때 전자가 방출되는 현상을 광전 효과라고 한다. 1887년 독일의 헤르츠가 우연히 발견한 이 현상은, 당시에는 빛이 파동일 때 발생하는 현상으로 여겨져 큰 주목을 받지 못했다. 그러나 광전 효과를 조사하면서 빛의 세기가 아닌 진동수에 비례하여 전자가 방출되고, 특정 진동수보다 낮은 빛에서는 전자가 방출되지 않는 등 파동설로는 설명하기 어려운 현상들이 나타났다. 1905년 알베르트 아인슈타인은 빛의 입자설(광양자설)을 통해 이 문제를 해결하고, 빛 입자를 광자라고 불렀다. 압도적인 파동설 증거에도 불구하고, 아인슈타인은 꾸준한 노력으로 자신의 주장을 관철시켰고, 1922년 광전 효과 설명으로 노벨 물리학상을 수상했다. 이는 빛의 입자와 파동 이중성, 그리고 양자역학의 기초를 마련하는 결정적인 계기가 되었다.
아인슈타인의 광전 효과 연구와 막스 플랑크의 결과를 토대로, 현대 이론은 빛이 입자성과 파동성을 모두 가진다고 설명한다. 아인슈타인은 광자의 에너지가 진동수에 비례한다고 하여, 입자적 성질을 가진 광자와 파동의 성질인 진동수를 동시에 표현했다. 일반적으로 모든 물질은 입자성과 파동성을 동시에 가지는데, 1924년 프랑스의 루이 드 브로이는 물질파 이론을 통해 전자가 원자핵 쪽으로 가지 않고 일정한 궤도 운동을 하는 것을 설명했다. 1927년 미국의 클린턴 조지프 데이비슨은 전자가 파동적 성질을 가짐을 실험적으로 증명했다. 결국 과학자들은 빛이 파동성과 입자성을 모두 가진다는 결론을 내렸다.
1900년 막스 플랑크는 흑체복사를 설명하기 위해 빛이 파동이지만, 주파수에 따라 유한한 양의 에너지를 얻거나 잃을 수 있다고 제안하고, 빛 에너지의 "덩어리"를 "양자"라고 불렀다. 1905년 아인슈타인은 광전 효과를 설명하기 위해 빛 양자 개념을 사용하고, 이 빛 양자가 실제로 존재한다고 제안했다. 1923년 아서 홀리 콤프턴은 저가동 X선이 흩어져 보이는 파장 변화가 전자의 X선 입자 이론으로 설명됨을 보였다. 1962년 길버트 N. 루이스는 빛 양자 입자를 광자(photon)라고 명명했다. 결국 양자 역학의 현대 이론은 입자와 파동 둘로부터 왔으며, 현대 물리학은 빛을 거시적인 입자나 파동이 아닌, 수학적으로 설명 가능하지만 실제로는 완전히 상상할 수 없는 무언가로 본다. 가시광선은 주파수 중간을 차지하여, 실험에 따라 파동이나 입자 모델, 때로는 두 가지 모두를 사용하여 쉽게 기술할 수 있다.
아이작 뉴턴은 빛이 입자라는 입자설을 제기했다. 알베르트 아인슈타인은 광자의 개념을 제창했고, 이는 현재까지 사용되고 있다. 입자(양자)로서의 빛을 광자(광양자)라고 한다. 광자는 전자기장의 양자화에 의해 나타나는 양자 중 하나이며, 전자기 상호작용을 매개한다.
2. 1. 고대
기원전 5세기, 엠페도클레스는 모든 물질이 불, 공기, 흙, 물의 4원소로 구성되어 있다고 주장하며, 아프로디테가 이 4원소로 인간의 눈을 만들었고 눈에서 나오는 빛이 시각을 가능하게 한다고 믿었다.[31] 기원전 300년경, 유클리드는 빛의 직진성과 반사의 법칙을 기술했다.[32] 플라톤은 '동굴의 비유'에서 태양을 선의 이데아와 연결지었다.고대 인도에서 삼크야 학파와 바이셰시카 학파는 빛을 기본적인 미세 요소 중 하나로 보았다.[34] 비슈누 푸라나에서는 햇빛을 '태양의 일곱 광선'이라고 언급했다.[34] 불교에서는 빛을 에너지와 동등한 원자적 실체로 보았다.[34]
고대 이집트에서는 태양신 라 숭배 등 빛을 신성시하는 문화가 있었다.
2. 2. 중세 및 르네상스
신플라톤주의에서는 빛의 강약과 농담(濃淡)을 통해 세계의 다양성을 설명하려 했으며, 철학과 신비주의가 융합되어 있었다. 플로티누스는 “일자(一者)”, “지혜(叡智, 누스)”, “영혼”의 3원리로 세계를 설명했는데, “일자”는 그 자체로 파악될 수 없는 빛 그 자체이고, “지혜(누스)”는 “일자”를 반영하는 태양이며, “영혼”은 “지혜”를 받아 빛나는 달과 별이라고 하여, 빛의 비유로 세계를 설명하는 논리를 제시했다. 이 신플라톤주의는 마술, 헤르메스주의, 영지주의에도 영향을 미쳤다고 여겨진다.[14]신약성서의 요한복음 9장 5절에서는 예수가 “내가 세상에 있는 동안 세상의 빛이니라”라고 말한다. 또한 예수는 제자들과 군중에게 “너희는 세상의 빛이라”( 세상의 소금과 세상의 빛)고 말한다. 프세우도-디오니시오스는 아버지 하나님이 광원(光源)이며, 빛이 예수 그리스도이고, 예수는 천상계의 이데아를 드러내고 사람들의 영혼을 비추며, 빛에 의한 조명이 사람에게 인식을 준다고 했다. 이 사상은 기독교 세계의 사상에 다양한 형태로 영향을 미쳤다. 흔히 빛은 정의, 어둠은 악으로 보는 이원적인 대립으로 비유되었다.[14]
영지주의에서는 빛과 어둠의 이원적인 대립으로 세계를 설명했다.[14]
2. 3. 근대
르네 데카르트는 빛이 발광체의 기계적 특성이라고 보았다. 아이작 뉴턴은 빛이 광원에서 방출되는 미립자로 구성되어 있다고 주장하는 입자설을 주장했다. 그는 빛의 입자가 오드 지역화 웨이브를 만들 수 있게 함으로써 빛의 회절 현상을 설명했다.[15] 1704년 뉴턴은 그의 광학 이론을 집대성한 책 《광학》을 출판하였다. 뉴턴의 명성 때문에 입자설은 18세기 동안 정설로 확고한 위치를 지켰다.크리스티안 하위헌스는 빛이 에테르라는 매질을 통해 전파되는 파동이라고 주장하는 파동설을 주장했다. 1690년 그의 빛에 관한 이론인 ‘빛에 관한 논문’을 발간하였다. 그는 빛의 파동을 전하는 매질로 우주 전체에 정지한 상태로 퍼져있는 에테르라는 물질이 있다고 주장했다. 뉴턴의 입자설과 하위헌스의 파동설은 둘 중 우세하다는 증거는 발견되지 않았으나, 뉴턴의 명성에 의해 입자설이 더 많이 지지를 받았다.
19세기가 되어 토머스 영은 빛의 간섭 실험을 발표하면서 빛의 입자설에 대한 확실한 반론이 나왔다. ‘파동의 간섭’이란, 두 파동이 중첩되었을 때 마루들은 보강간섭을 하고 골들은 소멸 간섭을 하여 줄무늬를 만드는 현상이다. 이런 파동의 간섭현상이 빛에서도 나타난 것을 영의 이중 슬릿 실험에 의해 밝혀졌다. 이런 줄무늬를 간섭 무늬라고 한다. 1803년 런던 왕립 학회에서 처음 이 실험을 발표했을 때, 학계의 권위에 부딪혀 받아들여지지 않았다. 그러나 이후 1818년 프랑스의 오귀스탱 장 프레넬은 빛의 회절을 파동설로 설명하였고, 1850년 프랑스의 레옹 푸코가 빛의 속도를 측정함으로써 파동설이 받아들어지게 되었다.
2. 4. 현대
가시광선을 포함한 모든 전자파는 전자기 이론으로 설명된다. 1867년 영국의 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기가 밀접하게 관련되어 있음을 수식으로 나타내고, 이들의 상호작용으로 파동이 발생하여 전파된다는 것을 알아냈다. 전자기력은 파동 형태로 전파되며, 전자기파는 서로 직각으로 진동하는 전기장과 자기장의 두 성분을 갖는다. 맥스웰은 진공에서 전자기파의 속도를 계산하여 빛의 속도와 일치함을 확인하고, 빛이 전자기파의 한 형태라고 결론 내렸다. 이는 빛의 파동설을 수학적으로 뒷받침했다.[16]
빛이 금속 표면에 충돌할 때 전자가 방출되는 현상을 광전 효과라고 한다. 1887년 독일의 헤르츠가 우연히 발견한 이 현상은, 당시에는 빛이 파동일 때 발생하는 현상으로 여겨져 큰 주목을 받지 못했다. 그러나 광전 효과를 조사하면서 빛의 세기가 아닌 진동수에 비례하여 전자가 방출되고, 특정 진동수보다 낮은 빛에서는 전자가 방출되지 않는 등 파동설로는 설명하기 어려운 현상들이 나타났다. 1905년 알베르트 아인슈타인은 빛의 입자설(광양자설)을 통해 이 문제를 해결하고, 빛 입자를 광자라고 불렀다. 압도적인 파동설 증거에도 불구하고, 아인슈타인은 꾸준한 노력으로 자신의 주장을 관철시켰고, 1922년 광전 효과 설명으로 노벨 물리학상을 수상했다. 이는 빛의 입자와 파동 이중성, 그리고 양자역학의 기초를 마련하는 결정적인 계기가 되었다.
아인슈타인의 광전 효과 연구와 막스 플랑크의 결과를 토대로, 현대 이론은 빛이 입자성과 파동성을 모두 가진다고 설명한다. 아인슈타인은 광자의 에너지가 진동수에 비례한다고 하여, 입자적 성질을 가진 광자와 파동의 성질인 진동수를 동시에 표현했다. 일반적으로 모든 물질은 입자성과 파동성을 동시에 가지는데, 1924년 프랑스의 루이 드 브로이는 물질파 이론을 통해 전자가 원자핵 쪽으로 가지 않고 일정한 궤도 운동을 하는 것을 설명했다. 1927년 미국의 클린턴 조지프 데이비슨은 전자가 파동적 성질을 가짐을 실험적으로 증명했다. 결국 과학자들은 빛이 파동성과 입자성을 모두 가진다는 결론을 내렸다.
1900년 막스 플랑크는 흑체복사를 설명하기 위해 빛이 파동이지만, 주파수에 따라 유한한 양의 에너지를 얻거나 잃을 수 있다고 제안하고, 빛 에너지의 "덩어리"를 "양자"라고 불렀다. 1905년 아인슈타인은 광전 효과를 설명하기 위해 빛 양자 개념을 사용하고, 이 빛 양자가 실제로 존재한다고 제안했다. 1923년 아서 홀리 콤프턴은 저가동 X선이 흩어져 보이는 파장 변화가 전자의 X선 입자 이론으로 설명됨을 보였다. 1962년 길버트 N. 루이스는 빛 양자 입자를 광자(photon)라고 명명했다. 결국 양자 역학의 현대 이론은 입자와 파동 둘로부터 왔으며, 현대 물리학은 빛을 거시적인 입자나 파동이 아닌, 수학적으로 설명 가능하지만 실제로는 완전히 상상할 수 없는 무언가로 본다. 가시광선은 주파수 중간을 차지하여, 실험에 따라 파동이나 입자 모델, 때로는 두 가지 모두를 사용하여 쉽게 기술할 수 있다.
아이작 뉴턴은 빛이 입자라는 입자설을 제기했다. 알베르트 아인슈타인은 광자의 개념을 제창했고, 이는 현재까지 사용되고 있다. 입자(양자)로서의 빛을 광자(광양자)라고 한다. 광자는 전자기장의 양자화에 의해 나타나는 양자 중 하나이며, 전자기 상호작용을 매개한다.
3. 빛의 성질
전자기 복사(EMR)는 파장에 따라 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 분류된다.[7] 전자기 복사의 거동은 파장에 따라 다른데, 고주파는 파장이 짧고 저주파는 파장이 길다.
가시광선 영역의 전자기 복사는 분자 내 전자 여기 현상을 일으킬 수 있는 광자로 구성되어 있으며, 이는 분자의 결합이나 화학적 변화를 유발한다. 가시광선 스펙트럼 하한 끝의 적외선은 인간에게 보이지 않는데, 이는 광자가 인간 망막의 시각 분자 로돕신에서 지속적인 분자 변화를 일으킬 만큼 충분한 에너지를 갖지 못하기 때문이다.
가시광선 영역 위의 자외선은 360 nm 이하에서는 각막에, 400 nm 이하에서는 수정체에 흡수되어 인간에게 보이지 않는다. 인간 눈의 망막에 있는 간상세포와 추상세포는 360 nm 이하 자외선을 감지할 수 없을 뿐만 아니라, 자외선에 의해 손상된다.
가시광선은 420–680 nm[7][8] 에서 380–800 nm[9][10] 까지 다양하게 정의된다. 이상적인 실험실 조건에서 사람들은 1,050 nm까지 적외선을,[11] 어린이와 젊은 성인은 310–313 nm까지 자외선을 인지할 수 있다.[12][13][14]
빛과 물질의 상호작용에 대한 연구를 ''광학''이라고 한다. 무지개와 오로라 같은 광학 현상의 관찰과 연구는 빛의 본질에 대한 많은 단서를 제공한다. 투명한 물체는 빛을 투과시키고, 불투명한 물체는 빛을 반사하거나 흡수한다.
기원전 5세기에 엠페도클레스는 모든 것은 네 가지 원소(불, 공기, 흙, 물)로 구성되어 있다고 가정하고, 아프로디테가 네 가지 원소로 인간의 눈을 만들었고 눈 속 불을 밝혀 시각을 가능하게 했다고 믿었다.
기원전 약 300년경, 유클리드는 ''광학''을 저술하여 빛이 직선으로 진행한다고 가정하고 반사 법칙을 기술했다. 기원전 55년, 루크레티우스는 태양의 빛과 열은 미세한 원자들로 구성되어 있다고 기술했다.
고대 인도의 삼크야 학파는 빛이 다섯 가지 기본적인 "미세한" 원소 중 하나라고 보았고, 비슈누 푸라나에서는 햇빛을 "태양의 일곱 광선"이라고 언급했다. 5세기 디그나가와 7세기 다르마키르티는 빛을 에너지와 동등한 원자적 실체로 보았다.
피에르 가상디(1592–1655)는 빛의 입자설을 제안했고, 아이작 뉴턴은 이를 연구하여 빛이 광원에서 방출되는 입자로 구성되었다고 주장했다.
로버트 훅(1635~1703)은 ''미크로그라피아''에서 "맥파 이론"을 제시하고 빛의 확산을 물결파에 비유했다. 크리스티안 하위헌스(1629~1695)는 빛이 광발생 에테르라는 매질 속에서 파동으로 방출된다고 주장했다. 토마스 영은 회절 실험을 통해 빛이 파동처럼 작용함을 보였다.
1845년, 마이클 패러데이는 패러데이 회전을 발견하여 빛이 전자기학과 관련이 있다는 최초의 증거를 제시했다. 제임스 클러크 맥스웰은 빛이 전자기 복사의 한 형태라는 결론을 내렸다.
1900년 막스 플랑크는 빛 에너지 "덩어리"를 "양자"라고 불렀고, 1905년 알베르트 아인슈타인은 광전 효과를 설명하며 빛 양자가 "실제로" 존재한다고 제안했다.
3. 1. 전자기 스펙트럼과 가시광선
전자기파는 주파수 또는 파장에 따라 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 분류된다.[7] 가시광선은 이 중 인간의 눈으로 볼 수 있는 영역의 전자기파를 말한다.가시광선은 일반적으로 약 380nm에서 800nm 사이의 파장을 가진다.[9][10] 좁게는 420nm에서 680nm 사이로 정의되기도 한다.[7][8] 이상적인 실험실 조건에서, 사람들은 적어도 1050nm까지의 적외선을 볼 수 있으며,[11] 어린이와 젊은 성인은 약 310-313nm의 자외선을 볼 수 있다.[12][13][14]
가시광선보다 파장이 긴 적외선은 열을 전달하며, 뱀과 같은 일부 동물은 이를 감지할 수 있다. 뱀은 세포 내 물 분자의 온도 상승을 통해 적외선을 감지한다.[7] 가시광선보다 파장이 짧은 자외선은 살균 작용을 하며, 곤충과 새우와 같은 일부 동물은 인간이 가시광선을 감지하는 것과 유사한 방식으로 자외선을 감지한다.
3. 2. 빛의 속력
진공에서 빛의 속력은 정확하게 초당 299,792,458m (초당 약 186,282마일)로 정의된다. SI 단위로 빛의 속력의 고정된 값은 이제 빛의 속력이 미터를 정의하는데 사용되기 때문이다. 모든 형태의 진공에서 전자기파는 정확히 같은 속력으로 이동한다.
덴마크의 천문학자인 올레 뢰머는 1676년, 목성의 위성인 이오의 관찰을 통해서 빛의 속력을 측정하였다. 뢰머는 목성이 지구에 가장 근접했을 때 예측한 것보다 11분 일찍 이오의 월식이 일어난다는 것을 알았고, 가장 멀리 있을 때는 예측보다 11분 늦게 일어난다는 사실을 발견했다. 뢰머는 그 22분이 빛이 지구의 공전궤도의 지름을 지나는 시간이라고 계산하여 빛의 속력을 추정했다.[15]
프랑스의 물리학자 이폴리트 피조는 1849년 더 정확하게 빛의 속력을 측정하였다.[16] 피조는 빛이 톱니바퀴를 통과한 후 8.9km 떨어진 곳의 거울에 의해 반사가 되어 다시 톱니바퀴로 돌아오는데, 그 각속도를 이용해 빛의 속력을 측정하였다. 피조는 빛의 속력을 313000000m/s라고 측정하였다. 1862년 레옹 푸코는 회전하는 거울을 통해 실험을 하여 298000000m/s라는 결과를 얻었고,[16] 앨버트 에이브러햄 마이컬슨은 1877년부터 그가 죽은 해인 1931년까지 빛의 속력 측정실험을 했다. 마이컬슨은 푸조의 방법을 개량해 1926년에 299796000m/s라는 결과를 얻었다.[17]
갈릴레오 갈릴레이는 17세기에 빛의 속력을 측정하려고 시도했다. 약 1km 떨어진 곳에서 서로 등불을 가지고, 상대방의 등불이 보이면 바로 등불을 열게 하는 방법으로, 그 시간차를 통해 광속을 측정하려고 했다. 그러나 이 실험에서는 빛이 왕복하는 데 걸린 시간이 10만분의 1초 정도로 매우 짧아 속력을 제대로 측정할 수 없었다.
현재 사용하고 있는 빛의 속력은 진공에서 299792458m/s이다. 실제로 오늘날에는 미터 자체를 1/299,792,458초 동안 빛이 이동한 거리로 정의하고 있다. 이 속력은 1초에 지구를 일곱 바퀴 반을 돌 수 있고 지구에서 달까지 가는 데 1초 정도 걸리는 매우 빠른 속력이다.
통상의 물질을 포함하는 각종 투명 물질에서 빛의 유효 속력은 진공에서보다 작다. 예를 들어 물에서 빛의 속력은 진공의 약 3/4이다.
극단적인 예로, 하버드 대학교와 롤랜드 과학 연구소, 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 두 팀은 원소 루비듐의 보스-아인슈타인 응축물을 통과하여 빛을 "완전히 정지"시켰다고 보고했다.[18] 그러나 이러한 실험에서 빛이 "정지"되었다고 하는 일반적인 설명은 빛이 원자의 들뜬 상태에 저장된 다음 두 번째 레이저 펄스에 의해 자극되어 임의의 시간 후에 재방출되는 것에만 해당한다. "정지"하는 동안 빛은 더 이상 빛이 아니었다.
3. 3. 굴절
굴절은 빛이 한 투명한 물질에서 다른 투명한 물질로 이동할 때 빛의 경로가 휘는 현상이다. 이는 스넬의 법칙으로 설명된다.:
여기서 θ1은 첫 번째 매질에서 광선과 표면 법선 사이의 각도이고, θ2는 두 번째 매질에서 광선과 표면 법선 사이의 각도이며, n1과 n2는 굴절률이다. ''n''은 진공에서 1이고, 투명한 물질에서는 1보다 크다.
빛의 빔이 진공과 다른 매질 사이 또는 두 개의 다른 매질 사이의 경계를 지날 때, 빛의 파장은 변하지만 진동수는 일정하게 유지된다. 만약 빛의 빔이 경계에 대해 직교하지 않다면(또는 법선이 아니라면), 파장의 변화는 빔의 방향 변화를 초래한다. 이 방향의 변화를 굴절이라고 한다.
렌즈의 굴절 특성은 이미지의 크기를 변경하기 위해 빛을 조작하는 데 자주 사용된다. 돋보기, 안경, 콘택트렌즈, 현미경 및 굴절 망원경은 모두 이러한 조작의 예이다.
3. 4. 반사
빛이 매질의 경계면에서 되돌아 나오는 현상을 반사라고 한다.[42] 빛의 반사에는 정반사와 난반사가 있다.- 정반사: 매끄러운 표면에서 빛이 일정한 방향으로 반사되는 현상이다. 거울이 대표적인 예이다.
- 난반사: 울퉁불퉁한 표면에서 빛이 여러 방향으로 흩어져 반사되는 현상이다. 일반적인 물체는 대부분 난반사를 일으킨다.
울퉁불퉁하지 않은 평면 거울에 닿은 빛은 거울에 닿았을 때와 같은 각도로 반사된다(유클리드의 "빛의 반사 법칙").
3. 5. 투과와 흡수
빛이 투명한 매질의 경계면에 닿았을 때, 일부는 경계면에서 반사되지만 나머지는 매질 내부를 통과하는 현상을 투과라고 한다.[42] 빛이 투명한 매질 내부를 통과할 때, 내부에서 흡수되어 다른 형태의 에너지로 변환되는 현상을 흡수라고 한다.[42]3. 6. 간섭과 회절
두 개 이상의 빛이 만나 서로 강화되거나 약화되는 현상을 간섭이라고 한다.[42] 빛을 나타내는 파동함수는 이차 선형 편미분 방정식의 해로 나타낼 수 있으며, 이 파동함수는 중첩의 원리를 따른다. 예를 들어 두 빛을 ψ1(x,t)=Ae^i(k1x-ωt+φ),ψ2(x,t)=Be^i(k2x-ωt+φ)로 나타내면, 중첩된 빛은 ψ12(x,t)=Ae^i(k1x-ωt+φ)+Be^i(k2x-ωt+φ)로 나타낼 수 있다.빛이 전파될 때 장애물 뒤쪽으로 휘어져 들어가는 현상을 회절이라고 한다.[42] 음파, 물질파, 빛을 포함한 모든 파동에서 회절은 진행하는 파면의 일부가 차단되었을 때 발생하는 일반적인 특성이다. 투명하거나 불투명한 장애물을 만나서 일부 파면의 진폭이나 위상이 변하게 되면 회절 현상이 나타난다. 장애물을 지나 진행하는 파면상의 각 부분은 서로 간섭하여 회절무늬라 불리는 독특한 에너지밀도 분포를 형성한다. 간섭과 회절은 명확하게 물리적으로 구분되지 않지만, 관례적으로 몇 개의 파가 중첩되는 경우에는 간섭으로, 대단히 많은 수의 파가 중첩되어 나타나는 현상은 회절로 구분한다.
일각에서는 빛의 회절을 불확정성 원리로 설명하기도 한다. 불확정성의 원리란, 파동에서 변위의 불확정성과 운동량의 불확정성의 곱이 상수값보다 항상 크거나 같음을 말한다.(Δx*Δp≥ħ/2) 빛이 슬릿으로 진입하면서 파동의 범위의 불확정성(Δx)이 감소하므로, 파동의 운동량의 불확정성(Δp)이 증가해서 빛의 방향의 불확정성이 증가한다는 논리이다.
3. 7. 편광
빛의 전기장 진동 방향이 특정 방향으로 정렬된 상태를 편광이라고 한다. 자연광은 편광되지 않은 빛이며, 편광판을 통과하면 편광된 빛을 얻을 수 있다. 광속(빛의 속도)은 광원의 운동 상태에 관계없이 불변하며(광속 불변의 원리), 빛은 매질을 필요로 하지 않고 진공 중을 전파할 수 있다.3. 8. 빛의 압력 (복사압)
빛은 물체가 있는 경로에 물리적인 압력을 가하는 현상으로, 맥스웰 방정식으로 유도할 수 있다. 하지만 빛의 입자적 성질로 설명하는 것이 더 쉬운데, 광자가 물체에 부딪혀 운동량을 전달하기 때문이다. 광압은 빛의 세기를 ''c''로 나눈 값과 같다. ''c'' 값이 매우 크기 때문에 일상적인 물체에서 광압의 영향은 무시할 만하다. 예를 들어, 1밀리와트 레이저 포인터는 조사되는 물체에 약 3.3 피코뉴턴의 힘을 가한다. 따라서 레이저 포인터로 미국 페니를 들어 올릴 수 있지만, 이를 위해서는 약 300억 개의 1밀리와트 레이저 포인터가 필요하다.[22] 그러나 나노미터 크기의 응용 분야, 예를 들어 나노전기기계시스템(NEMS)에서는 광압의 영향이 더 중요하며, NEMS 메커니즘을 구동하고 집적 회로에서 나노미터 크기의 물리적 스위치를 전환하기 위해 광압을 이용하는 것은 활발한 연구 분야이다.[23]더 큰 규모에서는 광압이 소행성의 회전 속도를 높일 수 있다.[24] 이는 소행성의 불규칙한 모양에 풍차의 날개처럼 작용하기 때문이다. 우주에서 우주선을 가속하는 태양 항해를 만드는 가능성도 연구되고 있다.[25][26]
크룩스 방사계의 움직임이 원래 광압으로 인한 것으로 여겨졌지만, 이 해석은 잘못된 것이다. 특징적인 크룩스 회전은 부분 진공의 결과이다.[27] 이것은 니콜스 방사계와 혼동해서는 안 되는데, 니콜스 방사계에서는 토크에 의해 발생하는 (미미한) 움직임(마찰에 대항하여 완전한 회전을 할 만큼 충분하지는 않음)이 광압에 의해 직접 발생한다.[28]
광압의 결과로, 아인슈타인은 1909년에 물질의 움직임에 반대하는 "복사 마찰"의 존재를 예측했다.[29]
일반적으로 빛의 운동량은 운동 방향과 일치한다. 그러나 예를 들어 에반센트파에서는 운동량이 전파 방향에 대해 수직이다.[30]
4. 광원
우리가 사물을 볼 수 있는 것은 빛 때문이다. 우리 주위에서 쉽게 볼 수 있는 태양이나 불빛은 그 자체가 빛의 원천(광원, 光源)이다. 광원이 아닌 다른 사물에서 산란되어 우리가 볼 수 있는 것은 광원에서 나온 빛이 그 사물에서 산란되어 우리 눈에 닿기 때문이다. 광원은 자연광과 인공광으로 나눌 수 있다.
빛은 복사측정학과 측광학의 두 가지 단위계로 측정된다. 복사측정학은 모든 파장에서 빛의 세기를 측정하고, 측광법은 인간 밝기 지각 모델을 기준으로 파장 가중치를 적용하여 빛을 측정한다. 측광 단위는 인간의 눈이 빛에 반응하는 방식을 고려하여 원시 세기보다 빛이 얼마나 "밝게" 보이는지를 나타낸다.
햇빛은 녹색 식물이 광합성을 통해 에너지를 생성하는 데 사용되며, 일부 동물 종은 생물 발광을 통해 스스로 빛을 생성한다. 예를 들어 반딧불이는 짝을 찾는 데, 흡혈 오징어는 먹이로부터 자신을 숨기는 데 빛을 사용한다.
4. 1. 자연광
태양은 핵에서 수소 원자 사이에 핵반응이 일어나 아주 많은 에너지가 나오기 때문에 빛을 낸다. 광자와 다른 입자들은 그 에너지를 가지고 태양 표면으로 나와 원자들을 들뜬 상태로 만든다. 들뜬 상태의 원자는 원래의 상태로 돌아가면서 빛을 낸다. 다른 모든 별도 이와 같은 과정으로 빛을 낸다.
우리는 간혹 극지방에서 오로라를 볼 수 있다. 이 오로라가 빛나는 이유는 공기 분자 때문이다. 태양에서 빠른 속도로 날아오는 입자가 지구 상공에서 공기 분자와 부딪치면 공기 분자는 에너지를 얻어 들뜬 상태가 되었다가, 빛을 내놓으면서 원래 상태로 돌아간다. 이러한 충돌이 밤에 일어나면, 눈으로 볼 수 있을 만큼 충분히 밝은 빛을 낸다.
4. 2. 인공광
인공광은 인간이 만든 광원으로, 백열전구, 형광등, LED, 레이저 등이 대표적이다.
- 백열전구: 필라멘트를 가열하여 빛을 내는 방식으로, 효율이 낮다. 백열등은 방출하는 에너지의 약 10% 정도만 가시광선 영역에 있고, 나머지는 적외선 영역에 있다.[7][8][9][10]
- 형광등: 기체 방전 현상을 이용하여 빛을 내는 방식으로, 백열전구보다 효율이 높다.
- LED (발광 다이오드): 반도체 소자를 이용하여 빛을 내는 방식으로, 효율이 매우 높고 수명이 길다.
- 레이저: 유도 방출 현상을 이용하여 단일 파장의 빛을 증폭시켜 방출하는 장치로, 의료, 통신, 산업 등 다양한 분야에 활용된다.
그 외에도 다음과 같은 인공광이 존재한다.
5. 한국과 빛
한국은 전통적으로 빛을 생명과 희망, 광명의 상징으로 여겨왔다. 단군 신화에서 환웅이 웅녀에게 햇빛을 비추어 인간으로 만든 이야기는 빛에 대한 한국인의 인식을 보여주는 대표적인 예이다.
현대 한국의 광학 기술과 관련하여, 더불어민주당은 신재생에너지 확대 정책의 일환으로 태양광 발전을 적극적으로 지원하고 있으며, 이는 한국의 에너지 자립도를 높이고 기후 변화에 대응하는 데 기여할 것으로 기대된다.
참조
[1]
간행물
International Lighting Vocabulary
http://www.cie.co.at[...]
CIE
1987
[2]
서적
Textbook of Practical Physiology
https://books.google[...]
Orient Blackswan
2013-10-11
[3]
서적
Vision
https://archive.org/[...]
MIT Press
2013-10-11
[4]
서적
Camera lenses: from box camera to digital
https://books.google[...]
SPIE Press
2020-11-15
[5]
서적
Comprehensive Physics XII
https://books.google[...]
Laxmi Publications
2008
[6]
서적
The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants
https://archive.org/[...]
Springer-Praxis
2008
[7]
서적
Introduction to Optics and Lasers in Engineering
https://books.google[...]
2013-10-20
[8]
서적
Astronomy Methods: A Physical Approach to Astronomical Observations
https://books.google[...]
Cambridge University Press
2013-10-20
[9]
서적
Handbook of Pharmaceutical Analysis
https://books.google[...]
CRC Press
2013-10-20
[10]
서적
A Textbook of Organic Chemistry
https://books.google[...]
Narosa
2013-10-20
[11]
학술지
Visual sensitivity of the eye to infrared laser radiation
1976
[12]
서적
Color and Light in Nature
https://books.google[...]
Cambridge University Press
2013-10-12
[13]
서적
Fundamentals of Ecology 3E
https://books.google[...]
Tata McGraw-Hill Education
2013-10-18
[14]
학술지
Sur la visibilité de l'ultraviolet jusqu'à la longueur d'onde 3130
http://visualiseur.b[...]
2013-10-21
[15]
학술지
Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light
http://projecteuclid[...]
2008-08-21
[16]
백과사전
Light
[17]
학술지
Measurements of the velocity of light between Mount Wilson and Mount San Antonio
1927-01
[18]
웹사이트
Harvard Gazette: Researchers now able to stop, restart light
https://web.archive.[...]
News.harvard.edu
2011-11-08
[19]
서적
Billmeyer and Saltzman's Principles of Color Technology
Wiley
2019
[20]
웹사이트
Spectrum and the Color Sensitivity of the Eye
http://thulescientif[...]
2017-08-29
[21]
웹사이트
Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5
http://rredc.nrel.go[...]
2009-11-12
[22]
학술지
May The Force of Light Be With You
2009-10-01
[23]
웹사이트
nano-opto-mechanical systems research at Yale University
http://www.eng.yale.[...]
[24]
웹사이트
Asteroids Get Spun By the Sun
http://discovermagaz[...]
2007-05-08
[25]
웹사이트
Solar Sails Could Send Spacecraft 'Sailing' Through Space
http://www.nasa.gov/[...]
2008-05-30
[26]
웹사이트
NASA team successfully deploys two solar sail systems
http://www.nasa.gov/[...]
2008-05-30
[27]
학술지
Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes
https://zenodo.org/r[...]
2022-07-29
[28]
학술지
The Pressure due to Radiation
https://books.google[...]
2020-11-15
[29]
서적
The Collected Papers of Albert Einstein
Princeton University Press
1989
[30]
학술지
Direct measurements of the extraordinary optical momentum and transverse spin-dependent force using a nano-cantilever
2016-08
[31]
서적
Fundamentals of Optical Engineering
Discovery Publishing House
2009
[32]
웹사이트
Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell
https://web.archive.[...]
2017-02-20
[33]
서적
Ptolemy's Theory of Visual Perception: An English Translation of the Optics with Introduction and Commentary
Diane Publishing
1996
[34]
웹사이트
Shastra Pratibha 2015 Seniors Booklet
https://web.archive.[...]
2017-08-29
[35]
서적
Theories of light, from Descartes to Newton
CUP Archive
1981
[36]
서적
Lenses and Waves: Christiaan Huygens and the Mathematical Science of Optics in the 17th Century
https://books.google[...]
Kluwer Academic Publishers
[37]
서적
André-Marie Ampère: Enlightenment and Electrodynamics
Cambridge University Press
[38]
서적
Understanding Physics
https://books.google[...]
Birkhäuser
2020-11-15
[39]
서적
Theoretical Concepts in Physics
https://archive.org/[...]
[40]
서적
Understanding Physics
Springer Verlag New York
[41]
서적
Introduction to Molecular Spectroscopy
https://archive.org/[...]
McGraw-Hill
[42]
서적
照明ハンドブック 第2版
[43]
간행물
「放射線による健康影響等に関する統一的な基礎資料(平成27年度版)」第1章 放射線の基礎知識
https://www.env.go.j[...]
환경성
2021-05-31
[44]
서적
わが相対性理論
백양사
1981
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