빛의 성질

빛의 성질

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먼저 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 광전효과의 정의에 대해서 말하자면 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 아인슈타인이 발표했던 논문중에 가장 중요한 것은 빛이 알갱이로 되어있다는 광양자론 즉, 입자성을 지닌 존재라고 하였다는 것이다.

만약에 빛이 파동성만 가진다고 한다면 빛이 금속판에 충돌한다고 해도 금속판 안에 있는 전자가 튕겨져 나올 일이 없을 것이다. 그러나 빛이 전자와 같은 입자로 이루어져 있기 때문에 아래 사진과 같은 광전효과가 일어날 수 있다는 것이다. 더 자세히 설명하자면 대부분에 사람들이 알듯이 금속은 전자(-)가 원자핵(+)의 전하와 전기력에 의해서 속박되어있다.

여기서 일정진동수 이상의 빛을 비추게 되면 빛을 이루는 광자가 전자와 충돌하게 되어서 원자핵(+)이 잡아당기는 인력을 이겨내고 밖으로 튕겨 나오게 된다. 앞에서 말했듯이 꼭 일정진동수 이상의 파장을 갖는 빛이어야만 저런 현상이 나타나게 된다. 그런데 대부분의 금속은 이것이 또 최소한 자외선 영역에 있어야지 전자를 방출하게 된다고 한다. 산화칼륨이나 산화세슘 등 가시광선 영역에 존재하는 특별한 경우도 있다.

광전효과

 

광전효과를 쉽게 설명할 수 있는 예가 있다. 컬럼비아대 교수인 브라이언 그린이 광전효과를 쉽게 푼 것이다. ‘어떤 왕이 있었다. 왕은 커다란 하나의 방에 무한에 가까운 사람들을 몰아 넣었는데 왕은 애들을 극히 싫어해 15세 이하의 어린이들은 따로 커다란 방 옆에 붙어있는 감옥에 집어넣어버렸다. 방에 남은 어른들은 창 밖을 통해 어린이들이 갇혀 있는 모습을 보곤 슬퍼했다.

어른들이 왕에게 어린이들을 하옥시켜달라고 항의했더니 왕은 어린이들이 8000원을 내면 감옥에서 내보내주겠다고 으름장을 놨다. 곧바로 어른들은 아이들이 돈이 어디있느냐며 따졌더니 왕이 말했다. 그럼 어른들이 창문을 통해 돈을 밖으로 던져주면 되지 않느냐 그 말을 들은 어른들은 돈을 꺼내 아이들에게 던져주려고 하다가 깊은 고민에 빠지게 되었다.

지금 감옥에는 거의 무한대에 가까운 아이들로 북적대고 있다. 어른들이 그곳을 향해 엄청난 양의 천원짜리 혹은 5천원짜리 지폐를 던져준다고 해도 딱 8천원을 모아서 탈출에 성공하는 어린이는 극소수에 불과할 것이다. 물론 언젠가는 감옥의 모든 어린이들이 석방될 수 있겠지만 무한대에 가까운 시간이 흘러야 가능할 것이다. 그런데 1만원짜리 이상의 지폐를 던져주게 된다면 그 돈을 줍는 어린이는 더 이상 기다릴 필요가 없이 곧바로 감옥을 나올 수 있게 된다.

즉 1만원짜리 이상의 지폐를 많이 던질수록 그만큼 많은 수의 어린이들이 신속히 감옥에서 빠져나올 수 있게 되는 것이다. 이렇게 광전효과를 쉽게 설명하였다. 광전효과는 오늘날에 태양전지나 방송국의 첨단 장비촬영 등에 사용되고 있다. 빛의 반사 현상이 전반사이다. 물에서 공기중으로 빛이 진행할 때 분명 속도가 느린 물에서 공기로 빛이 빠져나가면 속도가 빨라지니까 경계면 쪽으로 더 많이 굴절 될 것이다.

입사각보다 굴절각이 크다는 소리인데 입사각을 증가시키면 굴절각이 90도가 되는 순간이 생길 것이다. 이때의 입사각을 임계각이라고 하는데 물은 49도 정도가 임계각이다. 임계각보다 더 큰 입사각으로 빛이 진행하면 굴절각이 90도가 넘어서 모두가 반사되게 될 것이다. 이것이 바로 전반사 이다. 전반사는 빛의 속도가 느린 물체에서 빠른 물체로 진행할 때 나타나는데 이 원리를 이용하여 만든 것이 통신용 광섬유이다.

또 광섬유를 이용해서 수술을 하지 않고도 우리 몸속을 들여다보는 내시경이라는 의료 장치도 만들 수 있다. 이러한 도구들이 만들어지는데에는 전반사가 매우 중요한 빛의 반사 현상이다. 거울도 100퍼센트 빛을 반사하지 못하고 대부분의 물체는 반사와 굴절이 동시에 일어나는데 전반사는 매우 특별한 것이다.