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일상생활에서의 굴절과 반사

레디꼬 블로그 2022. 6. 29. 19:25
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중요한 점은 혹시 분리되었더라도 인접한 또 다른 광선들이 있어 이들의 분리에 의해 결국 다시 여러 파장의 빛들이 중첩되어 버린다. 유리창에서 무지개색을 볼 수 없는 이유는 이 때문이다. 

 

유리창에 반사된 광선

 

 

파장에 따른 굴절각의 차이가 매우 작으므로 사실상 빛을 공간적으로 분리가 거의 일어나지 않는다.


한편 평면 유리 대신 프리즘에 백색광을 입사시키게 되면, 평행하지 않는 두 표면에 의한 굴절각의 차이가 커지기 때문에 파장이 긴 빨간색 빛부터 파장이 짧은 보라색 빛까지 효과적으로 분리할 수 있다. 여기에 프리즘 하나를 더 추가하여 서로 역으로 놓게 되면, 백색광이 분산에 의해 무지개색으로 나뉘어지는 현상과 무지개색의 빛이 합쳐져 다시 백색광이 되는 현상을 동시에 관찰할 수 있다. 사실 거의 모든 교과서가 프리즘을 그리고 있으나 프리즘이 형성될 것이다.

 

프리즘 분광기의 원리와 같다. 공중에 떠 있는 무수히 많은 물방울들에서 파장별로 다른 각도를 가지고 평행하게 우리를 향하여 오기 때문에 우리 눈의 렌즈는 이들을 파장별로 망막의 다른 위치에 모은다. 따라서 엄밀히 말해서 무지개는 사람의 눈 속, 즉 망막에 만들어 진다고 말하는 것이 정확하다. 그래서 사람마다 고유의 무지개를 가지고 있다는 말이 있는 듯하다. 

 

일상생활에서의 굴절과 반사


우리가 흔히 보게 되는 무지개는 물방울 내에서 한 번의 반사와 두 번의 굴절로 인해 만들어지게 되지만, 이러한 상황은 하나의 입사각에 대해서만 만족되는 것은 아니다. 즉 물방울의 여러 부분에 균등하게 입사한 빛은 서로 평행하게 입사하였다고 하더라도 곡면에 닿는 것이므로 입사각은 넓은 범위에 걸쳐 있게 된다. 그러므로 서로 다른 각도로 굴절과 내부반사를 일으키게 되고, 스넬의 법칙에 따라 상당히 넓은 범위에 걸친 각으로 물방울을 빠져 나오게 된다.

 

한 색깔에 빛에 대하여 넓은 각도로 균등하게 빛이 퍼진다면 무지개처럼 선명하게 원호를 그리는 모습을 볼 수 없을 것이다. 그러나 스넬의 법칙을 이용해 물방울에서 분산되어 나오는 광선을 추적해 보면, 입사 광선에 대해 최소 편위각 D의 방향으로 가장 많은 빛이 나온다는 것을 알 수 있다. 따라서 물방울로부터 분산되어 나오는 빛은 물방울의 구대칭성까지 고려하게 되면 스크린상에 균일하게 퍼지는 것이 아니라 특정 각도(이 각을 무지개각이라고 한다)로 많은 양의 빛이 퍼져 나가게 된다. 빨간색 빛의 경우 이 무지개각은 약 42。이고, 보라색 빛은 약 41。이다. 즉 백색광이 물방울에 입사하였을 때, 42。와 41。각도 사이로 모든 무지개색빛이 퍼져 나가게 된다.


이제 물방울에서 가장 많은 빛이 분산되어 나오는 최소 편위각(혹은 무지개각)을 구해 보도록 하자. 처음의 굴절각 r는 마지막 단계의 입사각이 되고, 이 때의 굴절각은 바로 처음의 입사각 i와 같음을 알 수 있다.

 

 

렌즈에 의한 상
렌즈 광선 추적
빛 굴절 및 프리즘

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