굴절

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1. 개요

굴절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 속도가 변하면서 진행 방향이 꺾이는 현상이다. 빛의 전자기파적 성질로 설명되며, 빛의 속도 변화, 파면의 굴절, 스넬의 법칙, 프레넬 방정식 등으로 나타낼 수 있다. 굴절은 무지개, 신기루, 대기 굴절, 음파 굴절 등 자연 현상에서 나타나며, 렌즈, 프리즘, 광섬유, 굴절률 측정 등 다양한 분야에 응용된다.

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굴절
지도 정보
기본 정보
정의	파동이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 경계면에서 파동의 진행 방향이 꺾이는 현상
원인	매질의 밀도 차이로 인한 파동의 속도 변화
관련 법칙	스넬의 법칙
굴절의 종류
빛의 굴절	빛이 매질을 통과할 때 속도 변화로 인해 진행 방향이 꺾이는 현상
소리의 굴절	소리가 다른 매질을 통과하거나 온도 차이 등으로 인해 진행 방향이 꺾이는 현상
지진파의 굴절	지진파가 지구 내부의 다른 밀도층을 통과할 때 진행 방향이 꺾이는 현상
파도의 굴절	해안선으로 다가오는 파도가 수심 변화에 따라 진행 방향이 꺾이는 현상
굴절률
정의	빛이 진공에서 매질로 진행할 때 속도가 얼마나 느려지는지를 나타내는 값
기호	n
관계식	n = c/v (c: 진공에서의 빛의 속도, v: 매질에서의 빛의 속도)
특징	매질의 밀도가 클수록 굴절률이 커짐
스넬의 법칙
내용	굴절 현상에서 입사각과 굴절각 사이의 관계를 나타내는 법칙
관계식	nsin(θ) = nsin(θ). ( n 입사 매질의 굴절률, n 굴절 매질의 굴절률, θ 입사각, θ 굴절각)
굴절과 속도 변화
굴절률과 속도 관계	굴절률이 큰 매질로 진행할 때, 파동의 속도는 느려짐. n > n 이면, v < v
입사각과 굴절각 관계	굴절률이 큰 매질로 진행할 때, 굴절각은 입사각보다 작아짐.
분산
정의	빛의 굴절률이 파장에 따라 달라져서, 빛이 여러 색깔로 분리되는 현상
예시	프리즘에 의한 빛의 분산, 무지개
응용
렌즈	빛을 모으거나 퍼뜨려 물체의 상을 맺게 하는 장치. 카메라, 망원경, 현미경 등
광섬유	빛을 전송하는 데 사용되는 섬유. 정보 통신, 의료 등에 활용
그 밖의 응용	안경, 쌍안경, 잠망경 등
참고 자료
참고 도서	프린시플스 오브 옵틱스
외부 링크	브리태니커 백과사전: 굴절 RP Photonics: 색수차 분산 RP Photonics: 백과사전 HyperPhysics: 분산 HyperPhysics

2. 빛의 굴절 원리

빛의 굴절은 빛의 파동적 성질로 설명할 수 있다. 빛은 전자기파의 일종으로, 매질 내의 전자를 진동시키고, 진동하는 전자는 다시 전자기파를 방출한다. 이 과정에서 원래 빛과 전자가 방출한 전자기파가 상호작용하여 빛의 속도가 느려지고, 이로 인해 빛의 경로가 휘는 현상이다.

물 속에서 일어난 빛의 굴절. 어두운 사각형은 물이 담긴 접시에 놓인 연필의 실제 위치를 가리킨다. 밝은 사각형은 연필이 눈에 보이는 위치를 가리킨다. 끝 (X)이 (Y)에 있는 것처럼 보인다. (Y)는 (X)보다 상당히 얕다.

빛은 각 파장에 따라 굴절되는 양이 다르다. 파장이 길수록 굴절이 적게 되며, 파장이 짧을수록 굴절이 많이 된다. 가시광선 영역에서는 파장이 긴 빨간색이 꺾이는 양보다 보라색이 꺾이는 양이 더 크다. 그래서 약 430~600nm 사이의 파장을 갖는 빛이 골고루 섞인 백색광은 굴절을 하면서 각각의 파장에 따라 굴절되는 양이 달라지게 되는데 이를 분산이라고 부른다. 아이작 뉴턴은 프리즘을 통해 백색광인 햇볕이 모든 빛을 포함하고 있어 이를 분해할 수 있으며, 분해된 빛을 다시 합치면 백색광이 됨을 실험으로 보였다.

분산의 대표적인 예는 무지개이다. 무지개의 빛깔은 문화권에 따라 다르게 인식되는데, 이는 각 문화권의 관습에 따른 것이다.

굴절되는 양에 대한 수식은 스넬의 법칙으로, 진공과 비교하여 굴절된 양에 대한 계산량은 (절대)굴절률이라고 부른다. 굴절률은 일반적으로 상수 또는 파장에 따른 함수 상태로 나타나며, 때때로 텐서의 형태를 보이는 물질도 존재한다.

임의의 두 지점 사이를 움직이는 광자는 이동시간이 가장 짧은 경로를 택한다. (페르마의 원리) 페르마의 원리는 리처드 파인만에 의해 해석되었으며, 그의 해석은 양자전기역학(QED)으로 발전하여 현재는 모든 자연현상을 설명하는 기본 원리로 여겨진다.

빛이 유리를 통과하면 굴절되어 휘어져 보이는데, 이는 유리가 공기와 다른 굴절률을 가지고 있기 때문이다. 왼쪽 그림처럼 물속에 넣은 막대가 위쪽으로 휘어져 보이는 현상은 빛의 굴절로 설명할 수 있다. 공기와 물의 굴절률이 다르기 때문에, 물에서 반사된 빛은 굴절되어 눈에 도달한다.

굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 들어갈 때, 입사광이 경계면을 굴절하지 않고 모두 반사되는 것을 전반사라고 한다. 이 원리는 광섬유 등에 사용된다.^[16] 등방성 매질에서 이방성 매질로 파동이 진행하는 경우, 복굴절을 일으킨다.^[19]

2. 1. 빛의 속도 변화

빛은 진공에서 가장 빠르며, 공기, 유리, 물과 같은 매질을 통과할 때는 속도가 느려진다. 이는 빛이 전자기파로서 매질 내의 전하를 띤 입자(주로 전자)를 진동시키기 때문이다. 진동하는 전자는 자체적으로 전자기파를 방출하고, 이 파동이 원래 빛과 상호작용(보강 간섭)하여 결과적으로 "결합된" 파동은 관측자에게 더 느린 속도로 이동하는 것처럼 보인다. 빛이 다시 진공으로 돌아오면 전자의 영향이 사라져 속도는 원래대로 복귀한다.^[5]

파동이 속도가 느린 매질로 이동할 때 파면이 압축됩니다. 경계면에서 파면이 연결되려면 파동의 방향이 바뀌어야 합니다.

빛이 기울어진 각도로 속도가 느린 매질에 들어가면, 파면의 한쪽이 다른 쪽보다 먼저 느려져 빛의 진행 방향이 바뀐다. 빛이 일정한 특성을 가진 새로운 매질 내부에 있으면 다시 직선으로 진행한다.

빛의 속도 감소는 굴절률과 관련이 있다. 굴절률이 클수록 빛의 속도는 더 느려진다. 예를 들어, 공기의 굴절률은 약 1.0003이고 물의 굴절률은 약 1.3330이므로, 물에서 반사된 빛은 굴절되어 우리 눈에 도달한다. 이 때문에 물속의 막대는 실제보다 위쪽에 있는 것처럼 보인다.

2. 2. 파면의 굴절

빛이 비스듬하게 다른 매질로 입사할 때, 파면의 한쪽이 먼저 느려지면서 파면 전체가 휘게 된다. 이는 파동의 속도 차이와 파장 변화로 설명할 수 있다.^[6]

파동이 속력이 느려지는 다른 매질로 진행하고, 파동이 두 매질의 경계면에 각도를 이루며 도달하면, 파동의 한쪽이 다른 매질에 먼저 도달하여 더 일찍 속력이 느려진다. 파동의 한쪽이 느려지면 전체 파동은 그쪽으로 회전한다. 따라서 파동은 느린 매질로 진행할 때 표면으로부터 멀어지거나 법선 방향으로 휘어진다. 반대로 속력이 빨라지는 매질에 도달하는 파동의 경우, 파동의 한쪽이 빨라지고 파동은 그쪽으로부터 멀어지는 방향으로 회전한다.^[6]

같은 현상을 다른 관점에서 이해하는 방법은 경계면에서의 파장 변화를 고려하는 것이다. 파동이 속력이 다른 매질로 진행할 때, 파동의 진동수는 변하지 않지만, 파면 또는 파장 사이의 거리는 변한다. 속력이 감소하면 파장도 감소한다. 파면과 경계면 사이에 각도가 있고 파면 사이의 거리가 변하면, 파면을 온전하게 유지하기 위해 경계면을 넘어 각도가 변해야 한다. 이러한 고려 사항으로부터 두 매질에서의 입사각, 투과각 및 파동 속력 사이의 관계를 유도할 수 있다. 이것이 굴절 법칙 또는 스넬의 법칙이며, 다음과 같이 쓸 수 있다.^[6]

\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2} = \frac{v_1}{v_2} \,.

3. 굴절 법칙

빛의 굴절은 스넬의 법칙을 따르며, 빛의 속도와 각도의 관계를 보여준다. 굴절되는 양에 대한 수식을 완성한 사람의 이름을 따서 스넬의 법칙(Snell's law)이라 부른다.^[6]

예를 들어, 빛이 유리를 통과하면 굴절되어 휘어져 보이는데, 이는 유리가 공기와 다른 굴절률을 가지고 있기 때문이다. 왼쪽 그림처럼 물속에 넣은 막대가 위쪽으로 휘어져 보이는 현상은 빛의 굴절로 설명할 수 있다. 공기의 굴절률은 약 1.0003이고, 물의 굴절률은 약 1.3330으로 다르기 때문에, 물에서 반사된 빛은 굴절되어 눈에 도달한다.

굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 들어갈 때, 입사광이 경계면을 굴절하지 않고 모두 반사되는 것을 전반사라고 한다. 이 원리는 광섬유 등에 사용된다.^[16] 등방성 매질에서 이방성 매질로 파동이 진행하는 경우, 복굴절을 일으킨다.^[19]

빛은 각 파장에 따라서 굴절되는 양이 다르다. 파장이 길수록 굴절이 적게 되며, 파장이 짧을수록 굴절이 많이 된다. 가시광선 영역에서는 파장이 긴 빨간색이 꺾이는 양보다 보라색이 꺾이는 양이 더 크다. 그래서 약 430~600 nm 사이의 파장을 갖는 빛이 골고루 섞인 백색광은 굴절을 하면서 각각의 파장에 따라 굴절되는 양이 달라지게 되는데 이를 분산이라고 부른다.

굴절에 대한 정확한 설명은 두 가지로 나뉘는데, 둘 다 빛의 파동적 성질에 기인한다.

# 빛은 진공이 아닌 매질을 통과할 때 속도가 느려진다. 이는 빛이 전자기적 진동으로서, 전하를 띤 입자를 진동시키기 때문이다. 진동하는 전자는 자체 전자기파를 방출하고, 이는 원래 빛과 상호 작용한다.

# 빛이 기울어진 각도로 속도가 느린 매질에 들어가면, 파면의 한쪽이 다른 쪽보다 먼저 속도가 느려진다. 이러한 빛의 비대칭적인 속도 감소는 빛의 진행 방향을 바꾼다.

3. 1. 스넬의 법칙 (Snell's Law)

스넬의 법칙은 빛의 굴절 현상을 설명하는 기본적인 법칙으로, 두 매질의 경계면에서 빛의 경로가 꺾이는 정도를 나타낸다. 이 법칙은 다음과 같이 표현된다.^[6]

:

\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}

또는

:

n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\

여기서,

$\theta_1$ 과 $\theta_2$ 는 각각 입사각과 굴절각을 나타내며, 법선(경계면에 수직인 선)과 이루는 각도를 의미한다.
$v_1$ 과 $v_2$ 는 각 매질에서의 빛의 위상 속도를 나타낸다.
$n_1$ 과 $n_2$ 는 각 매질의 굴절률을 나타낸다.

스넬의 법칙은 매질 A에서의 파동 속도를

v_{\mathrm{A}}

, 매질 B에서의 파동 속도를

v_{\mathrm{B}}

, 매질 A에서 매질 B로의 입사각(또는 B에서 A로의 굴절각)을

\theta_{\mathrm{A}}

, 매질 B에서 매질 A로의 입사각(또는 A에서 B로의 굴절각)을

\theta_{\mathrm{B}}

라고 할 때, 다음과 같이 표현할 수 있다.

:

{ \sin \theta_{\mathrm{A}} \over {\sin \theta_{\mathrm{B}}} } = {v_{\mathrm{A}} \over {v_{\mathrm{B}}} }.

여기서,

{v_{\mathrm{A}} \over {v_{\mathrm{B}}} }

의 값을 매질 A에 대한 매질 B의 '''상대 굴절률'''이라고 정의하고, 이것을

n_{\mathrm{AB}}

(또는

n_{\mathrm{A\rightarrow B}}

)로 나타낸다.

금문교의 이미지가 많은 다양한 3차원 물방울에 의해 굴절되어 휘어집니다.

스넬의 법칙은 페르마의 원리로부터 유도될 수 있는데, 페르마의 원리란 광자는 이동시간이 가장 짧은 경로를 택해서 움직인다는 공리이다.^[7]

3. 2. 프레넬 방정식 (Fresnel equations)

프레넬 방정식(フレネルの式)은 계면(界面)에서 빛의 거동(반사·굴절)을 기술하는 식이다. 굴절률이 다른 두 매질의 경계면에서 빛이 반사 및 굴절되는 정도를 나타낸다.^[20] 빛의 편광 상태에 따라 반사율과 투과율이 달라진다.

굴절률이

n

인 매질에서 굴절률이

n'

인 매질로 계면에 수직으로 광선이 입사할 때, 입사광의 강도를

I_0

로 하면 반사광의 강도

I

는 다음과 같다.^[20]

:

I = I_0\left ( \frac{n-n'}{n+n'} \right )^2.

입사면의 안쪽에 편광되어 있는 빛이 투명한 매질의 표면에서 반사되는 경우, 입사각을

i

, 굴절각을

r

이라고 하면 반사광의 강도는 다음과 같다.

:

I = \left ( \frac{I_0\sin^2(i-r)}{I_0\sin^2(i+r)} \right ).

입사면에 수직한 방향으로 편광되어 있는 빛의 경우는 다음과 같다.

:

I = \left ( \frac{I_0\tan^2(i-r)}{I_0\tan^2(i+r)} \right ).

4. 굴절의 종류

빛은 각 파장에 따라 굴절되는 양이 다르다. 파장이 길수록 굴절이 적게 되며, 파장이 짧을수록 굴절이 많이 된다. 가시광선 영역에서는 파장이 긴 빨간색보다 보라색이 더 크게 꺾인다. 이처럼 백색광이 굴절하면서 각 파장별로 굴절되는 양이 달라지는 현상을 분산이라고 한다. 아이작 뉴턴(Issac Newton)은 프리즘을 연구하면서 분산을 처음 발견했으며, 프리즘을 통해 백색광인 햇볕이 분해될 수 있고, 분해된 빛을 다시 합치면 백색광이 된다는 것을 실험으로 보였다.

분산의 대표적인 예는 무지개이다. 무지개 빛깔은 문화권에 따라 다르게 인식되는데, 동양과 유럽/북미에서는 7가지 색으로 보지만, 그 밖의 지역에서는 4~10가지로 보기도 한다.

굴절되는 양은 스넬의 법칙(Snell's law)으로 설명되며, 진공과 비교한 굴절된 양의 계산량은 (절대)굴절률이라고 한다. 굴절률은 일반적으로 상수 또는 파장에 따른 함수로 나타나며, 때로는 텐서 형태를 보이기도 한다.

페르마의 원리에 따르면, 임의의 두 지점 사이를 움직이는 광자는 이동 시간이 가장 짧은 경로를 택한다. 이 원리는 리처드 파인만(Richard P. Feynman)에 의해 양자전기역학(QED)으로 해석되었으며, 현재는 모든 자연현상을 설명하는 기본 원리로 여겨진다.

4. 1. 전반사 (Total internal reflection)

빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 들어갈 때, 입사각이 특정 각도(임계각) 이상이면 경계면을 투과하지 않고 모두 반사하는 현상을 전반사라고 한다. 광섬유는 전반사의 원리를 이용한 대표적인 예시이다.^[16]

4. 2. 복굴절 (Birefringence)

등방성 매질에서 이방성 매질(방향에 따라 굴절률이 다른 물질)로 파동이 진행하는 경우, 빛이 두 개의 서로 다른 경로로 굴절되는 현상인 복굴절을 일으킨다.^[19] 방해석은 복굴절을 보이는 대표적인 광물이다.

4. 3. 분산 (Dispersion)

빛은 각 파장에 따라서 굴절되는 양이 다르다. 파장이 길수록 굴절이 적게 되며, 파장이 짧을수록 굴절이 많이 된다. 가시광선 영역에서는 파장이 긴 빨간색보다 보라색이 더 크게 꺾인다. 이처럼 백색광이 굴절하면서 각 파장별로 굴절되는 양이 달라지는 현상을 분산이라고 한다. 아이작 뉴턴(Issac Newton)은 프리즘을 연구하면서 분산을 처음 발견했다. 뉴턴은 프리즘을 통해 백색광인 햇볕이 모든 빛을 포함하고 있어 분해될 수 있으며, 분해된 빛을 다시 합치면 백색광이 된다는 것을 실험으로 보였다.^[16]

분산의 대표적인 예로는 무지개가 있다.

무지개는 빛의 굴절률이 빛의 진동수에 따라 달라지는 빛의 분산에 의해 형성됩니다.

무지개 빛깔은 매우 다양하지만, 동양과 유럽/북미에서는 7가지 색으로 보며, 그 밖의 지역에서는 4~10가지로 보는 곳도 있다. 이는 각 문화권의 관습에 따른 것이다.^[16]

흰색 빛이 공기에서 진동수(및 파장)에 따라 굴절률이 변하는 물질로 통과할 때, 분산 현상이 발생한다. 이때 흰색 빛의 서로 다른 색상 성분은 서로 다른 각도로 굴절되어 분리된다. 서로 다른 색상은 서로 다른 진동수와 파장에 해당한다.^[19]

5. 자연 현상에서의 굴절

빛의 굴절은 다양한 자연 현상에서 관찰된다. 예를 들어, 빛이 유리를 통과하면 굴절되어 휘어져 보이는데, 이는 유리가 공기와 다른 굴절률을 가지고 있기 때문이다. 유리 표면에 수직으로 빛이 입사하는 경우, 빛의 진행 방향은 변하지 않고 속도만 변하지만, 이 경우에도 굴절이라고 한다.

왼쪽 그림처럼 물속에 넣은 막대가 위쪽으로 휘어져 보이는 현상은 빛의 굴절로 설명할 수 있다. 공기의 굴절률은 약 1.0003이고, 물의 굴절률은 약 1.3330으로 다르기 때문에, 물에서 반사된 빛은 굴절되어 눈에 도달한다. 그림의 막대 위 x에서 나온 빛이 수면에서 굴절하기 때문에, X의 겉보기 위치는 Y가 된다. 이것이 물속의 막대가 실제보다 위쪽에 있는 것처럼 보이게 하는 것이다.

빛은 각 파장에 따라서 굴절되는 양이 다르다. 파장이 길수록 굴절이 적게 되며, 파장이 짧을수록 굴절이 많이 된다. 가시광선 영역에서는 파장이 긴 빨간색이 꺾이는 양보다 보라색이 꺾이는 양이 더 크다. 약 430~600 nm 사이의 파장을 갖는 빛이 골고루 섞인 백색광은 굴절을 하면서 각각의 파장에 따라 굴절되는 양이 달라지는데, 이를 분산이라고 부른다. 아이작 뉴턴은 프리즘을 연구하면서 분산을 처음 발견했다. 뉴턴은 프리즘으로 백색광인 햇볕이 모든 빛을 포함하고 있어 이를 분해할 수 있으며, 분해된 빛을 다시 합치면 백색광이 됨을 실험으로 보였다.

굴절되는 양에 대한 수식은 스넬의 법칙으로, 진공과 비교하여 굴절된 양에 대한 계산량은 (절대)굴절률이라고 부른다. 굴절률은 일반적으로 상수 또는 파장에 따른 함수 상태로 나타나며, 때때로 텐서의 형태를 보이는 물질도 존재한다.

임의의 두 지점 사이를 움직이는 광자는 이동시간이 가장 짧은 경로를 택해서 움직인다는 기본적인 공리가 있는데 이를 페르마의 원리라고 부른다. 리처드 파인만은 양자전기역학(QED)을 통해 페르마의 원리를 해석하였으며, 이는 현재 모든 자연현상을 기본적으로 설명하는 기본 원리로 여겨지고 있다.

굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 들어갈 때, 입사광이 경계면을 굴절하지 않고 모두 반사되는 것을 전반사라고 한다. 이 원리는 광섬유 등에 사용된다.^[16] 등방성 매질에서 이방성 매질로 파동이 진행하는 경우, 복굴절을 일으킨다.^[19]

신기루, 해기둥, 신기루(물) 외에도, 일몰이나 일출 시간이 천문학적 계산과 어긋나는 형태로 나타난다.

특정한 날씨에 원거리 철도 등의 소리가 또렷하게 들리는 것은 음파 굴절의 예시이다. 이는 상공에 역전층이 발생하고, 저온의 공기에서는 음속이 느려지기 때문에, 상공으로 향했던 음파가 굴절하여 다시 지상으로 돌아오는 현상으로 설명된다.^[16]

5. 1. 무지개 (Rainbow)

무지개는 대기 중의 물방울에 의해 빛이 굴절, 반사, 분산되면서 나타나는 현상이다. 빛은 파장에 따라 굴절되는 양이 다르다. 파장이 길수록 굴절이 적게 되며, 파장이 짧을수록 굴절이 많이 된다. 가시광선 영역에서는 파장이 긴 빨간색이 꺾이는 양보다 보라색이 꺾이는 양이 더 크다. 약 430~600 nm 사이의 파장을 갖는 빛이 골고루 섞인 백색광은 굴절하면서 각 파장에 따라 굴절되는 양이 달라지는데, 이를 분산이라고 부른다.^[16]

분산의 대표적인 예로 무지개가 있다. 무지개의 빛깔은 매우 다양한데, 동양과 유럽/북미에서는 7가지 색이라고 보며, 그 밖의 지역에서는 4~10가지로 보는 곳도 있다. 이러한 차이는 각 문화권의 관습에 따른 것이다.^[16]

5. 2. 신기루 (Mirage)

신기루는 밀도가 다른 공기층 사이에서 빛이 굴절되어 물체가 실제 위치와 다르게 보이거나, 존재하지 않는 물체가 보이는 현상이다. 아지랑이, 파타 모르가나(Fata Morgana) 등이 신기루의 일종이다.

5. 3. 대기 굴절 (Atmospheric refraction)

공기의 굴절률은 공기의 밀도에 따라 달라지며, 이는 다시 공기의 온도와 압력에 영향을 받는다. 고도가 높아질수록 압력이 낮아져 굴절률도 낮아지므로, 빛이 대기를 통과하며 장거리를 이동할 때 지표면 쪽으로 굴절된다. 이러한 현상 때문에 별이 지평선 근처에 있을 때 실제 위치보다 약간 높게 보이며, 해돋이 때에는 지구가 지평선 위로 올라오기 전에 태양이 먼저 보이게 된다.^[9]

대기 굴절 때문에 태양이 지평선 가까이에 있을 때 약간 납작하게 보인다.

공기 온도의 변화는 빛의 굴절에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 불 위나 기관차 배기가스, 또는 추운 날 창문을 열 때처럼 뜨겁고 차가운 공기가 섞이는 곳에서 발생하는 열기모를 통해 이를 확인할 수 있다. 뜨겁고 차가운 공기가 섞이면서 그 사이로 보이는 물체가 흔들리거나 무작위로 움직이는 것처럼 보이게 된다. 맑은 날 고배율 망원 렌즈를 사용할 때도 공기 온도의 변화로 인해 이미지 품질이 저하되는 경우가 많다.^[9] 마찬가지로, 대기 난류는 지상 망원경의 해상도를 제한하는, 천문 망원경 영상에서 빠르게 변하는 왜곡을 일으킨다. 이를 극복하기 위해 적응 광학과 같은 기술이 사용된다.^[9]

지표면 근처 공기 온도의 변화는 신기루나 파타 모르가나와 같은 광학 현상을 일으킨다. 맑은 날 뜨거운 도로에 의해 데워진 공기는 얕은 각도로 들어오는 빛을 보는 사람 쪽으로 굴절시키는데, 이 때문에 도로가 반사되어 마치 물이 덮고 있는 듯한 착시를 일으킨다.

5. 4. 음파 굴절

수중 음향학에서 음파는 굴절 현상을 보인다. 음파가 다른 음속 영역으로 진행할 때 음속 기울기 영역을 통과하면서 굽어지는데, 이 굴절 정도는 음속의 차이, 즉 물의 온도, 염도, 압력 변화에 따라 달라진다.^[12]

지구 대기에서도 유사한 음향학 효과가 나타난다. 대기 중 음파의 굴절 현상은 수세기 동안 알려져 왔으며,^[13] 1970년대 초부터 도시 고속도로와 소음 방지벽 설계에 이 효과를 광범위하게 분석하여 적용했다.^[14]

특정한 날씨에 원거리 철도 소리가 또렷하게 들리는 현상도 음파 굴절의 예시이다. 이는 상공에 역전층이 발생하여 저온의 공기에서 음속이 느려지기 때문에, 상공으로 향했던 음파가 굴절되어 다시 지상으로 돌아오는 현상으로 설명된다.^[16]

6. 굴절의 응용

빛의 굴절은 일상생활과 과학 기술에서 다양하게 응용된다. 예를 들어, 물속에 있는 물체가 실제 위치보다 떠 보이는 현상이나, 골든게이트 교와 같은 다리가 물방울 속에서 뒤집혀 보이는 현상도 빛의 굴절 때문에 발생한다. 빛은 파장에 따라 굴절되는 정도가 달라, 분산 현상이나 무지개와 같은 현상을 설명할 수 있다.

빛이 유리를 통과하면 굴절되어 휘어져 보이는데, 이것은 유리가 공기와 다른 굴절률을 가지고 있기 때문이다. 유리 표면에 수직으로 빛이 입사하는 경우, 빛의 진행 방향은 변하지 않고 속도만 변하지만, 엄밀히 말하면 이 경우에도 굴절이라고 한다. 왼쪽 그림처럼 물속에 넣은 막대가 위쪽으로 휘어져 보이는 현상은 빛의 굴절로 설명할 수 있다. 공기의 굴절률은 약 1.0003이고, 물의 굴절률은 약 1.3330으로 다르기 때문에, 물에서 반사된 빛은 굴절되어 눈에 도달한다. 즉, 그림의 막대 위 x에서 나온 빛이 수면에서 굴절하기 때문에, X의 겉보기 위치는 Y가 된다.

굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 들어갈 때, 입사광이 경계면을 굴절하지 않고 모두 반사되는 것을 전반사라고 하며, 등방성 매질에서 이방성 매질로 파동이 진행하는 경우 복굴절을 일으킨다.^[19]

6. 1. 렌즈 (Lens)

볼록 렌즈는 통과하는 빛을 굴절시켜 한 점에 집중시키고, 오목 렌즈는 빛을 굴절시켜 평행하게 진행시킴으로써 관찰자에게 실제보다 확대 또는 축소된 상을 보여준다. 렌즈는 카메라, 현미경, 망원경, 안경 등에 사용된다.^[16]

6. 2. 프리즘 (Prism)

프리즘은 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라, 빛이 프리즘을 통과하면 파장의 차이에 따라 색깔별로 분산되는 분산 현상이 일어난다. 이러한 빛의 분산은 무지개와 같은 스펙트럼을 만들어낸다. 아이작 뉴턴은 프리즘을 통해 백색광인 햇빛이 여러 색깔의 빛으로 분리될 수 있으며, 분리된 빛을 다시 합치면 백색광이 된다는 것을 실험으로 보였다.^[16]

6. 3. 광섬유 (Optical fiber)

광섬유는 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 들어갈 때, 입사광이 경계면을 굴절하지 않고 모두 반사되는 전반사 현상을 이용한다.^[16] 전반사를 통해 빛 신호를 먼 거리까지 손실 없이 전달할 수 있어, 인터넷, 통신 등 현대 사회의 핵심 기술로 활용된다.

6. 4. 굴절률 측정

굴절률은 물질의 고유한 특성 중 하나로, 이를 측정하여 물질의 종류, 농도, 순도 등을 분석할 수 있다. 굴절률 측정은 식품, 화학, 의학 등 다양한 분야에서 활용된다.

'''당도계''': 시료액(측정 대상이 되는 액체)에 당과 물 이외의 성분이 포함되어 있지 않다는 전제하에, 물에 포함된 당의 함량에 따라 빛의 굴절률이 달라지는 성질을 이용하여 시료의 당도를 측정한다.^[21]

7. 사진첩

2D 시뮬레이션: 양자 입자의 굴절. 배경의 검은색 절반은 퍼텐셜이 0이고, 회색 절반은 더 높은 퍼텐셜이다. 흰색 블러는 측정할 경우 특정 위치에서 입자를 발견할 확률 분포를 나타낸다.

참조

_[1] 웹사이트 Refraction https://www.britanni[...] 2018-10-16
_[2] 서적 Principles of Optics Pergamon Press INC.
_[3] 웹사이트 chromatic dispersion https://www.rp-photo[...] 2014-09-08
_[4] 웹사이트 Dispersion http://hyperphysics.[...] 2014-09-08
_[5] Youtube Why does light slow down in water? https://m.youtube.co[...]
_[6] 서적 Optics Addison-Wesley
_[7] 웹사이트 Refraction https://www.rp-photo[...] RP Photonics Consulting GmbH, Dr. Rüdiger Paschotta 2018-10-23
_[8] 논문 Refraction and the spitting behavior of the archerfish (''Toxotes chatareus'')
_[9] 웹사이트 The effect of heat haze on image quality https://www.nikonimg[...] Nikon 2018-11-04
_[10] 웹사이트 Refraction http://www.eyeglossa[...] 2006-05-23
_[11] 웹사이트 Shoaling, Refraction, and Diffraction of Waves http://www.coastal.u[...] University of Delaware Center for Applied Coastal Research 2009-07-23
_[12] 간행물 Navy Supplement to the DOD Dictionary of Military and Associated Terms https://www.nwdc.nav[...] Department Of The Navy 2006-08
_[13] 서적 On the Connexion of the Physical Sciences J. Murray Publishers
_[14] 논문 Analysis of highway noise
_[15] 서적 学術用語集分光学編 http://sciterm.nii.a[...] 培風館
_[16] 서적 高等学校物理IB 啓林館
_[17] 논문 Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics
_[18] 논문 Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics
_[19] 웹사이트 複屈折とは http://uniopt.co.jp/[...] ユニオプト株式会社 2017-01-02
_[20] 웹사이트 フレネルの反射公式 https://kotobank.jp/[...] コトバンク 2017-01-01
_[21] 웹사이트 屈折計ってどんな装置？ http://www.kyoto-kem[...] 京都電子工業株式会社 2017-01-02

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