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빛 굴절 및 프리즘

초점을 지나는 광선은 렌즈에 의해 굴절 된 후에 광축에 나란하게 그린다.

 

렌즈에 굴절된 빛

 

빛의 굴절

 

두 번째 광선은 (2)번 광선으로 초점을 지나는 광선이다. 초점을 지나는 광선은 마치 초점의 위치에 점파원이 있는 것으로 생각할 수 있다. 이 경우에 다시 렌즈 공식에 적용하여 보면, a  f 이므로 b  ∞가 됨을 알 수 있다. 즉 초점에 점 물체가 놓이면 무한히 멀리 떨어진 지점에서 만난다. 다시 말하면 만나지 않는다는 것이다. 따라서 초점에 놓인 점파원 렌즈를 통과하고 나면 평행 광선이 되는 것이다. 

 

렌즈의 중심을 지나는 광선은 굴절되지 않기 때문에 그대로 직진하여 그린다.


세 번째 광선은 잘 알고 있는 것과 같이 렌즈의 중심을 지나는 광선이다. 이 광선은 굴절하지 않기 때문에 물체점에서 렌즈의 중심을 연결하여 그대로 그리면 된다. 렌즈의 중심을 지나는 광선을 보면 굴절을 하지 않는 것이 아니고 설명한 것 같이 두 번의 굴절을 경험한다. 일반적으로 렌즈가 얇은 경우를 생각하기 때문에 굴절 효과를 무시하는 것이다. 


렌즈의 절반을 종이로 가리면 상이 만들어지지 않거나 상이 절반만 보인다고 생각하는 학생들이 많은 것은 물체점에서 앞서 말한 3개의 광선만 나오기 때문이라고 생각하기 때문이다. 렌즈의 절반을 가려도 물체 점에서 무수히 많은 광선들을 그릴 수 있기 때문에 상의 밝기만 어둡게 보일 뿐이지 상을 보는 데는 아무 지장이 없다. 렌즈를 절반 가리는 것은 눈꺼풀을 반쯤라지는 분산 현상에 대한 메커니즘은 파동 광학에서 취급하기로 하고, 이 장에서는 분산으로 인해 나타나는 몇 가지 현상에 대해 알아보고자 한다.

 

빛의 프리즘


백색광은 여러 색깔의 빛의 혼합으로 이루어져 있음을 프리즘을 통하여 볼 수 있다. 여러 색깔의 빛은 서로 다른 길이
의 파장을 갖는다. 모든 파장에 대해 진공에서의 빛의 속도는 3108 m/s로 동일하지만, 유리나 물과 같은 매질 내에서는 파장에 따라 빛의 속도가 달라지게 된다. 이러한 현상을 분산이라고 하는데 일반적으로 파장이 짧을수록 매질 내에서의 빛의 진행 속도는 느려지게 된다. 따라서 매질의 굴절률도 파장에 따라 달라지게 되는데, 대부분의 렌즈에 사용되는 크라운 유리의 파장에 따른 굴절률을 나타낸 것이다. 파장이 짧은 보라색 빛은 파장이 긴 빨간색 빛보다 속도가 느리기 때문에 굴절률은 더 커지게 된다.


이와 같은 빛의 분산 현상을 이용해 백색광을 파장별로 공간적으로 분리해내는 방법을 생각해 보자. 두께가 일정한 유리판에 백색광을 비스듬하게 입사시키면, 스넬의 법칙에 의해 파장에 따라 굴절각이 달라지므로 이론적으로는 각 파장의 빛을 공간적으로 분리해 낼 수 있다. 그러나 볼 수 있는 바와 같이 보라와 빨간색 굴절률의 차이는 겨우 0.019로서 평균 굴절률 1.52의 1%보다 조금 큰 정도이다. 

 

 

일상에서 굴절과 반사

렌즈에 의한 상
렌즈 광선 추적