가시광선
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1. 개요
가시광선은 인간의 눈으로 감지할 수 있는 전자기파의 일종으로, 약 380~750nm의 파장 범위를 갖는다. 13세기에 로저 베이컨이 무지개가 빛의 분산 현상으로 생성된다고 이론화했으며, 아이작 뉴턴은 프리즘을 사용하여 백색광을 여러 색으로 분해하는 실험을 통해 스펙트럼 개념을 정립했다. 가시광선은 파장에 따라 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색으로 구분되며, 분광기를 통해 분석하여 물질의 특성을 연구하는 데 활용된다. 또한, 식물의 광합성, 동물의 시각 범위, 지구 대기 투과 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다.
아이작 뉴턴이 프리즘을 사용하여 태양 광선을 7색으로 나눈 것이 스펙트럼 연구의 시초라고 할 수 있다. 뉴턴은 원형 구멍을 통해 들어온 빛을 사용했기 때문에 파장 분리 정밀도가 높지 않았지만, 이후 슬릿을 사용하여 정밀도를 높일 수 있었다.
2. 역사
13세기에 로저 베이컨은 무지개가 유리나 수정체를 통과하는 빛과 유사한 과정을 통해 생성된다고 보았다.[11]
18세기에 요한 볼프강 폰 괴테는 그의 저서 ''색채론''에서 광학 스펙트럼에 대해 다루었다. 괴테는 연속 스펙트럼이 복합적인 현상이라고 주장하며, 뉴턴이 빛의 광선을 좁혀 현상을 분리한 것과 달리, 더 넓은 조리개를 사용하면 스펙트럼이 아니라 흰색이 있는 적황색과 청록색 가장자리가 나타난다고 관찰했다.
19세기 초, 토마스 영과 헤르만 폰 헬름홀츠는 가시 스펙트럼과 색각 사이의 연결을 탐구했다. 그들의 영-헬름홀츠 이론은 눈이 색상을 인식하기 위해 세 개의 뚜렷한 수용체를 사용한다고 제안했다.
2. 1. 아이작 뉴턴의 프리즘 실험
아이작 뉴턴은 17세기에 프리즘을 사용하여 햇빛을 분해하고 재결합하는 실험을 통해 스펙트럼 현상을 과학적으로 설명했다.[12] 뉴턴은 빛이 다양한 색상의 "입자"로 구성되어 있으며, 각 입자는 굴절률이 다르기 때문에 프리즘을 통과할 때 다르게 굴절된다고 가정했다.
뉴턴은 스펙트럼을 빨간색, 주황색, 노란색, 녹색, 파란색, 남색, 보라색의 7가지 색상으로 구분했다.[12] 이는 고대 그리스 궤변가들의 영향으로 색상, 음표, 태양계의 알려진 물체, 요일 사이에 연결고리가 있다는 믿음에서 비롯된 것이다.[12]
하지만 현대의 관점에서 뉴턴이 정의한 '남색'은 오늘날 파란색에 가깝고, 뉴턴의 '파란색'은 청록색에 가깝다는 연구 결과도 있다.[14][15][16]
2. 2. 스펙트럼 연구의 확장
19세기 초, 윌리엄 허셜(적외선 발견)과 요한 빌헬름 리터(자외선 발견) 등은 가시광선 영역 밖의 빛을 발견했다.[17] 이를 통해 스펙트럼 개념이 확장되었다. 토마스 영은 빛의 파동성을 실험적으로 증명하고, 빛의 색깔이 파장에 따라 결정된다는 것을 밝혔다.[18]
3. 스펙트럼 색깔
가시광선은 파장에 따라 다양한 색깔로 나타나며, 일반적으로 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라의 7가지 색으로 구분된다. 각 색깔은 특정한 파장, 주파수, 광자 에너지를 가진다.색깔 파장 (nm) 주파수 (THz) 광자 에너지 (eV) 보라색 380–450 668–789 2.75–3.26 파랑 450–495 606–668 2.50–2.75 초록색 495–570 526–606 2.17–2.50 노랑 570–590 508–526 2.10–2.17 주황 590–630 484–508 2.00–2.10 빨강 630–750 400–484 1.60–2.00
빨간색이 가장 파장이 길고 보라색이 가장 짧지만, 에너지는 보라색이 가장 높고 빨간색이 가장 낮다.
3. 1. 가시광선 영역
가시광선은 인간의 눈으로 인지할 수 있는 전자기파 영역으로, 약 380nm ~ 750nm의 파장 범위를 가진다. 대기 중의 무지개는 햇빛이 물방울에 굴절, 반사되면서 나타나는 가시광선 스펙트럼 현상이다. 한국에서는 전통적으로 무지개의 색을 빨주노초파남보로 표현하며, 이는 가시광선 스펙트럼에 대한 인식을 반영한다. 일부에서는 파란색을 청록색으로, 남색을 파란색으로 구분하기도 한다.
좁은 파장대역의 가시광선(단색광)에 의해 생성될 수 있는 색상은 순수한 스펙트럼 색이라고 한다. 스펙트럼은 연속적이며, 한 색상과 다음 색상 사이에는 명확한 경계가 없다.[10]
| 색깔 | 파장 (nm) | 주파수 (THz) | 광자 에너지 (eV) |
|---|---|---|---|
| 보라색 | 380–450 | 668–789 | 2.75eV–3.26eV |
| 파랑 | 450–495 | 606–668 | –2.75eV |
| 초록색 | 495–570 | 526–606 | 2.17eV– |
| 노랑 | 570–590 | 508–526 | –2.17eV |
| 주황 | 590–630 | 484–508 | – |
| 빨강 | 630–750 | 400–484 | – |
4. 분광기
분광기는 빛을 파장별로 분해하여 스펙트럼을 분석하는 장치이다. 빛의 파장 분포, 편광 특성, 강도 변화 등을 측정하여 물질의 성질을 분석하는 데 사용된다. 분광기는 보통 광원, 분산계, 감지기의 세 부분으로 구성되어 있다.[1]
5. 키르히호프의 법칙
일반적으로 기체는 고온일 때 고유의 파장을 지닌 빛을 낸다. 그러나 반대로 그 기체가 저온일 때는 같은 파장의 빛을 흡수한다. 이는 방출 스펙트럼이나 흡수 스펙트럼의 기체 분석에도 유용하게 사용된다.
6. 광합성
식물의 엽록소는 특정 파장의 빛 에너지를 흡수하여 광합성에 이용한다. 엽록소 a는 주로 400-500nm 파장대의 빛을, 엽록소 b는 600-700nm 파장대의 빛을 강하게 흡수한다.[1]
7. 인간의 가시 범위
가시광선 스펙트럼은 망막에 도달하여 시각 광변환을 유발할 수 있는 파장으로 제한된다. 이는 시각 옵신을 자극하는 빛의 범위이다. 수정체는 자외선 투과를 제한하고, 시각 옵신의 스펙트럼 감도 함수는 적외선에 대한 감도를 제한한다.
인간의 경우, 원추 세포에 의해 매개되는 주간 시력인 명소시와 간상 세포에 의해 매개되는 어두운 환경에서의 시력인 암소시에 따라 가시 범위가 달라진다. 일반적으로 가시 범위는 명소시를 기준으로 한다. 
7. 1. 대기 투과
대부분 동물의 가시 범위는 대기를 통과할 수 있는 빛의 범위인 광학 창에 맞춰 진화했다. 오존층은 거의 모든 자외선(315 nm 미만)을 흡수한다.[19] 그러나 이것은 생물 발광과 같은 지상광이 아닌 태양광과 같은 우주광에만 영향을 미친다.7. 2. 눈의 투과
빛은 망막에 도달하기 전 먼저 각막과 수정체를 통과해야 한다. UVB 빛(315nm 미만)은 대부분 각막에 의해 걸러지고, UVA 빛(315–400 nm)은 대부분 수정체에 의해 걸러진다.[20] 수정체는 나이가 들면서 황변되어 스펙트럼의 파란색 부분에서 투과를 가장 강하게 약화시킨다.[20] 이것은 황시증을 유발할 수 있으며 가시 스펙트럼의 단파(파란색) 한계가 약간 줄어들 수 있다. 무수정체증 환자는 수정체가 없으므로 UVA 빛이 망막에 도달하여 시각 옵신을 자극할 수 있다. 이는 가시 범위를 확장시키고 청시증을 유발할 수도 있다.7. 3. 옵신 흡수
시각 옵신은 각 파장의 광자를 흡수할 가능성을 정의하는 스펙트럼 감도 함수를 가지고 있다. 광도 효율 함수는 기여하는 시각 옵신의 중첩과 거의 일치한다.[1] 따라서 개별 옵신 스펙트럼 감도 함수의 위치 변화는 광도 효율 함수와 가시 범위에 영향을 미친다.[1] 예를 들어, 장파(적색) 한계는 L-옵신의 위치에 비례하여 변한다.[1] 위치는 최대 파장(가장 높은 감도의 파장)으로 정의되므로 L-옵신 최대 파장이 10nm만큼 청색 편이하면 가시 스펙트럼의 장파 한계도 10nm만큼 이동한다.[1] L-옵신 최대 파장의 큰 편차는 적색약이라고 하는 일종의 색각 이상을 유발하며, L-옵신이 없는 경우(제1색맹) 가시 스펙트럼은 장파 한계에서 약 30nm만큼 짧아진다.[1] M-옵신 및 S-옵신에 영향을 미치는 색각 이상 형태는 광도 효율 함수나 가시 스펙트럼의 한계에 큰 영향을 미치지 않는다.[1]8. 다양한 가시 범위 정의
가시광선의 한계에 대한 정의는 표준화되어 있지 않으며 산업에 따라 달라진다.[21][22] 예를 들어, 일부 산업에서는 실용적인 한계에 관심이 있을 수 있으므로 420-680 nm로 보수적으로 보고할 수 있다. 다른 산업에서는 심리물리학에 관심이 있어 가장 넓은 스펙트럼을 얻기 위해 380-750 nm 또는 심지어 380-800 nm로 자유롭게 보고할 수 있다.[23][24]
9. 가시 범위 밖의 시각
이상적인 실험 환경에서 인간은 최소 1,064nm까지의 적외선을 감지할 수 있다.[25] 1,050nm의 근적외선은 빨간색을 연상시킬 수 있으며, 이는 L-옵신의 직접적인 흡수를 시사한다. 반면, 펄스형 근적외선 레이저가 녹색을 연상시킨다는 보고도 있는데, 이는 이광자 흡수가 근적외선 감도를 확장할 수 있음을 시사한다.[25]
마찬가지로, 젊은 실험 대상은 약 310~313nm까지의 자외선 파장을 감지할 수 있다.[26][27][28]
10. 비시각적 광 감지
사람은 명시 시각 및 암시 시각 시스템 외에도 주요 시각 시스템에 기여하지 않는 다른 광 감지 시스템을 가지고 있다. 예를 들어, 멜라놉신은 420–540 nm의 흡수 범위를 가지며 일주기 리듬 및 기타 반사 과정을 조절한다.[30] 멜라놉신 시스템은 이미지를 형성하지 않으므로 엄밀히 말하면 시각적 지각으로 간주되지 않으며 가시 범위에 기여하지 않는다.
11. 인간 외 동물의 가시 범위
가시광선은 인간에게 보이는 빛으로 정의되지만, 동물 종에 따라 그 범위는 크게 다르다. 원추 세포 옵신은 가시 범위를 조절하는데, 척추동물은 옵신의 종류와 수에 따라 다양한 가시 스펙트럼을 가진다. 인간은 3개의 원추 세포(삼색형)를 가지지만, 다른 척추동물은 4개(사색형) 또는 2개(이색형)의 원추 세포를 가질 수 있어, 인간보다 더 넓거나 좁은 가시 스펙트럼을 가진다.[19]
척추동물은 다음 4가지 옵신 클래스를 갖는 경향이 있다:[19]
- 장파장 민감(LWS): 500–570 nm 사이에서 최대 감도를 나타낸다.
- 중파장 민감(MWS): 480–520 nm 사이에서 최대 감도를 나타낸다.
- 단파장 민감(SWS): 415–470 nm 사이에서 최대 감도를 나타낸다.
- 보라색/자외선 민감(VS/UVS): 355–435 nm 사이에서 최대 감도를 나타낸다.
동물의 시각 시스템을 행동적으로 테스트하기는 어렵기 때문에, 동물의 가시 범위는 일반적으로 옵신의 최대 파장을 인간의 것(S-옵신 420 nm, L-옵신 560 nm)과 비교하여 추정한다.
포유류는 대부분 이색형 색각을 가지지만, 구세계 영장류(사람 포함)는 삼색형 색각을 가진다. 조류, 파충류, 어류 등은 사색형 색각을 가지는 경우가 많으며, 자외선 영역까지 감지하는 종도 있다.
11. 1. 포유류
대부분의 포유류는 야행성 병목 현상으로 인해 두 가지 옵신 계열(LWS 및 VS)만 유지하고 있다. 하지만 구세계 영장류(인간 포함)는 이후 LWS 계열에서 두 가지 버전을 진화시켜 삼색 시각을 회복했다.[19] 설치류는 대부분의 포유류와 달리 UVS 옵신이 더 짧은 파장에 머물러 있다. 렌즈에 자외선 필터가 없는 생쥐는 340nm까지 감지할 수 있는 UVS 옵신을 가지고 있다. 자외선이 망막에 도달하도록 허용하면 망막 손상으로 이어질 수 있지만, 생쥐는 다른 포유류에 비해 수명이 짧아 자외선 시각의 장점이 이러한 단점을 상쇄할 수 있다.[31] 개는 429nm와 555nm에 두 개의 원뿔 옵신을 가지고 있어 이색형 색각을 가지지만, 인간의 가시 스펙트럼 전체를 거의 볼 수 있다.[32] 말은 428nm와 539nm에 두 개의 원뿔 옵신을 가지고 있어 약간 축소된 적색 시각을 보인다.[33]11. 2. 조류
대부분의 조류는 사색형 색각을 가지며, 일부 종은 자외선 영역까지 감지한다.[19] 조류 UVS 옵신의 감도는 355–425 nm로 매우 다양하며, LWS 옵신은 560–570 nm이다.[34] 이는 일부 조류가 인간과 비슷한 가시 스펙트럼을 가지는 반면, 다른 조류는 자외선에 대한 감도가 크게 확장되었음을 의미한다. 조류의 자외선 시각은 자외선 범위에서만 보이는 깃털의 성별 의존적 무늬 인식 등에 활용될 수 있다.[35][36]11. 3. 어류
경골어류는 일반적으로 사색형 색각을 가진다. 어류의 UVS 옵신(opsin) 감도는 347~383 nm이고, LWS 옵신은 500~570 nm이다.[37] 그러나 대체 발색단을 사용하는 일부 어류는 LWS 옵신의 감도를 625 nm까지 확장할 수 있다.[37] 금붕어가 적외선과 자외선을 모두 볼 수 있다는 통념[38]은 금붕어가 적외선을 볼 수 없기 때문에 사실이 아니다.[39]11. 4. 무척추동물
곤충은 자외선 감지 능력을 가지는 경우가 많으며, 이는 꽃에서 꿀을 찾는 데 도움이 된다.[40] 곤충 수분에 의존하는 식물 종은 인간에게 보이는 화려함보다는 자외선에서 보이는 외관에 따라 번식 성공 여부가 결정될 수 있다. 벌의 장파장 한계는 약 590nm이다.[41] 갯가재는 최대 14개의 옵신을 나타내며, 300nm 미만에서 700nm 이상까지의 가시광선 범위를 볼 수 있다.[19]12. 열화상
일부 뱀은 5~30 μm 사이의 파장에서 복사열을 "볼" 수 있으며,[42] 맹인 방울뱀도 공격할 먹이의 취약한 신체 부위를 정확하게 조준할 수 있다.[43] 또한 이 감각기관을 가진 다른 뱀들은 1m 밖에서도 따뜻한 물체를 감지할 수 있다.[44] 이는 체온 조절 및 포식자 감지에도 사용될 수 있다.[45][46]
13. 분광학
분광학은 물체가 방출, 흡수 또는 반사하는 색상 스펙트럼을 기반으로 물체를 연구하는 학문이다. 가시광선 분광법은 천문학에서 중요한 도구이며, 과학자들은 이를 사용하여 멀리 있는 물체의 특성을 분석한다. 화학 원소와 작은 분자는 방출선 및 흡수선을 관찰하여 천문학적 물체에서 감지할 수 있다. 예를 들어, 헬륨은 처음으로 태양의 스펙트럼 분석을 통해 감지되었다. 스펙트럼선의 주파수 변화는 먼 물체의 도플러 효과(적색편이 또는 청색편이)를 측정하여 관찰자로부터 멀어지거나 가까워지는 속도를 결정하는 데 사용된다. 천문 분광학은 고분산 회절 격자를 사용하여 매우 높은 스펙트럼 해상도로 스펙트럼을 관찰한다.
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