빛 (Light) : 햇빛 ,형광등 , 레이저

12. 빛 (Light) 빛은 진동수가 크고 파장이 아주 짧은 전자기파로서 일반 안테나를 가지고 다룰 수 없는 반면 , 원자나 분자 , 물질내에있는 전기를띤 입자들에 의해 흡수되거나 방출된다 . 이 장에서는 다음의 세가지 광원을 통해 세 종류의 빛 , 열 적 광원에 의한 빛 , 원자 공명에 의한 빛 , 결 맞는 빛에 대하여 배우고자 한다 . 12.1 햇빛 12.2 형광등 12.3 레이저 12-1 햇빛 햇빛은태양에서우리의눈까지8분20여초동안150,000,000km 를이동하며, 지구에서의삶을가능하게해주는대부분의에너지와열을공급해준다. 질문: 1. 왜태양은뜨고질무렵에붉게보이고하늘은낮에파랗게보일까? 2. 햇빛이작은창문을통해어두운방으로들어올때이따금햇살이보인다. 왜그럴까? 3. 햇빛이프리즘이나비누방울을통과하면왜무지게색이나타날까? 태양 표면에서 나오는 빛은 대전 입자의 불규칙한 열 적 운동에 의해서 방출되기 때문에 , 빛의 파장 분포는 온도에 의해서 결정된다 . 2500o C 4000o C 5800o C 6000 oC 이상의 별들은 눈부신 푸른 색으로 보이는 경우가 있다 . 이해도 확인 1 촛불은 왜 붉은색이나 노란색 빛을 내는가 ? 햇빛의 지구로의 이동 ☞ 빛의 속도는 진공 상태에서 299,792,458 m/s 이다. 진공이 아닌 지역에 들어갈 때는 어떤 일이 발생할까 ? / 햇빛의 전자기장이 대기 중에 있는 전하들과 상호작용을 하게 되면 , 햇빛의 속력은 느려진다. / 햇빛은 만나는 분자들을 편극화 시키는데 , 이 과정은 햇빛의 이동을 지연시켜서 속력을 느리게 한다 . / 빛이 느려지는 정도는 그 물질의 굴절률로 나타낼 수 있다 . 편극화되기 쉬운 물질일수록 빛은 더 느려진다 . / 공기 입자가 편극화 된다는 사실은 하늘이 파랗게 된다는 사실로부터 알 수 있다 . (그림 12.1.3) 햇빛의 지구로의 이동 ☞ 하늘은 왜 파랗게 보이는가 ? / 공기 입자들은 각각의 원자와 분자 , 그들의 작은 집합체 , 물방울, 그리고 먼지들로 구성되어 있으며 , 햇빛이 이런 입자들을 통과할 때 입자는 편극화 되고 , 햇빛의 전기장으로 인해 힘을 받아 진동을 하여 새로운 전자기파를 발생한다 . 실제로 입자는 전자기파를 일시적으로 흡수한 후 새로운 방향으로 방출하는 안테나 역할을 한다고 볼 수 있다 . (레일리 산란 ) / 전자기파의 안테나는 전자기파 파장의 ¼ 만큼일 때 가장 잘 작동한다 . 즉 레일리 산란의 효율은 파장이 공기입자의 크기의 ¼ 일 정도 일 때 제일 효과적이다 . / 하늘이 파랗게 보이는 이유는 공기 입자가 너무 작아서 파장이 긴 붉은 빛을 잘 산란시키지 못하기 때문이다. ☞ 해가 뜨고 질 때 하늘이 붉게 보이는 이유 ? 해가 뜨고 질 때 햇 빛은 우리의 눈에 도달하기 위해 먼 거리를 와야 한다 . 이 경로가 너무 길어 대부분의 푸른 빛은 산란을 통해 사라지고 붉은 빛만 도달하기 때문이다 . ☞ 구름과 안개는 왜 하얗게 보일까 ? 무지개 ☞ 비올 때나 비가 온 후 , 빗방울은 무지개를 만들 수 있다 . 물방울이 어떻게 햇빛의 경로를 바꾸고 햇빛을 파장에 따라 분리하는가 ? / 햇빛이 똑 바로 빗 방울을 통과할 때 : 물은 공기보다 편극화가 잘 일어나기 때문에 빗방울 내부에서 빗의 속도는 느려지고 , 파장은 줄어들지만 , 주파수는 변하지 않는다 . / 햇빛이 똑바로 빗 방물을 통과하지 않을 때 : 광선의 일부분이 먼저 물에 도착해서 느려지는 동안 다른 부분이 추월하게 되어 결과적으로 광선이 구부러진다 . / 굴절: 물질의 경계 면에서 광선이 구부러지는 현상 . ☞ 반사: 경계 면에 부딪히는 햇빛의 일부가 물질을 전혀 통과하지 않고 경계 면에서 튕겨져 나오는 현상 . / 반사는 경계 면에서 발생하는 임피던스 불일치 현상 때문에 일어난다 . / 임피던스: 전류나 파동의 흐름을 방해하는 정도 . 전자기 시스템에서 전기적 효과가 얼마나 자기적 효과를 힘들게 유도하는가의 척도 . 예) 진공의 경우 , 전기장이 자기장을 유도하는데 아무런 도움을 받을 수 없기 때문에 , 임피던스는 상대적으로 높다 . 예) 물질 속에서는 전기장의 파동이 자기장을 만들기가 쉽고 , 임피던스는 진공보다 작다 . / 임피던스 불일치를 통과할 때 , 빛의 전기장과 자기장 사이의 균형은 깨지게 되고 , 이 깨진 균형을 보완하기 위해 , 빛의 일부를 경계 면에서 반사한다 . / 임피던스 불일치가 크면 클 수록 , 반사되는 양이 증가한다 . 예) 금속은 임피던스가 0에 가깝다 . 따라서 금속은 거의 완전하게 빛을 반사한다 . ☞ 분산: 주파수에 따라 빛의 속도가 달라지는 현상 . / 빨간색의 빛이 보라색의 빛 보다 약 1%정도 더 빠르게 물 속에서 진행한다 . / 파장이 짧은 보라색 빛이 물 분자를 더 쉽게 편극화 시키기 때문에 , 이로 인해 보라색 빛의 속도가 느려진다. / 물방울 속에서 보라색은 빨간색 빛보다 더 느리기 때문에 더 많이 굽어진다 . ☞ 무지개를 보려면 ? 해를 등지고 바라 봐야 한다 . : 햇빛이 빗방울 윗부분에서 굴절할 때 보라색 빛은 붉은색 빛보다 더 잘 굽어져 햇빛은 여러 가지 색으로 분산된다 . : 빛이 빗방울 속에서 뒷면과 부딪칠 때 빛의 대부분이 소실되지만 , 일부는 반사하여 빗 방울 속에서 계속 진행한 후 , 보라색은 빨간색 보다 더 윗 쪽으로 빠져 나온다 . : 상대적으로 무지개 아래 부분에 있는 빗방울은 보라색으로 보이고 윗부분의 빗방울은 빨간색으로 보인다. 비누방울 ☞ 비누방울에 나타나는 무지개 색은 어떻게 생기는 것일까 ? / 햇빛은 비누 막의 위와 아래 표면에서 반사된다 . / 아래 표면에서 반사되는 빛은 윗 표면에서 반사되는 빗 보다 더 먼 거리를 이동하기 때문에 , 경로 차가 생긴다 . 경로 차가 파장의 정수 배가 되면 보강 간섭이 일어나고 , 정수에1/2 를 더한 수의 배수만큼 이면 상쇄 간섭이 일어난다 . / 햇빛은 여러 파장의 빛들이 모여 있기 때문에 파장에 따라 간섭을 일으키는 모양도 다르다 . 따라서 보강간섭을 일으키는 파장을 가진 색이 두드러져 보이게 된다 . / 경로 차는 비누방울 막의 두께에 관계되기 때문에 색깔을 잘 살펴봄으로써 막의 두께를 결정할 수도 있다. 보강간섭 소멸간섭 햇빛과 편광 선글라스 ☞ 선글라스는 모두 햇 빛의 일부를 흡수하지만 , 고급 선글라스는 수직으로 편광 된 빛 보다 수평으로 편광 된 빛을 더 잘 흡수한다 . ??? / 빛이 투명한 표면에 수직으로 입사하면 , 편광에 관계없이 약 4% 정도 반사한다 . / 수평면에 비스듬히 빛이 들어오면 수평방향으로 편광 된 빛이 수직 방향보다 더 잘 반사된다 . : 수평방향으로 편광 된 빛의 수평방향 전기장이 전자를 표명에 따라 쉽게 움직이게 할 수 있기 때문에, 임피던스 불일치가 크고 , 반사가 잘 일어난다 . 비스듬하게 들어올수록 반사가 더 잘 일어난다. : 수직방향으로 편광 된 빛은 전기장이 위아래로 전하를 밀어야 하기 때문에 비스듬히 입사된 경우 이 전기장은 전하를 표면 위아래로 들어 올리려 하게 되고 , 전하는 표면을 떠날 수 없기 때문에 편극 화가 어렵다 . 때문에, 수직 방향으로 편광 된 빛을 잘 반사하지 않는다 . / 햇빛은 수직과 수평 방향 편광의 빛이 비슷하게 섞여 있는데 , 수평면에서 수평방향으로 편광 된 빛이 더 잘 반사되기 때문에 수평편광 빛을 잘 흡수하는 빛을 착용하면 이 반사된 빛을 피할 수 있다 . 이해도 확인 4 수영장을 들여다보려 해도 대부분 하늘이 반사되어 보이게 된다 . 그러나 편광 선글라스를 쓰면 물 속을 들여다 볼 수 있다 . 이 차이를 설명하여라 . 12-1 형광등 전기방전을사용한등으로는형광등, 수은등, 할로겐등과같이그종류가다양하지만이들의기본원리는모두같다. 여기서는그원리를알아보자. . 빛과 색깔을 볼 수 있는 이유 ☞ 눈의 망막에는 빛을 감지하는 세 종류의 원추 세포가 있어 각각 특정한 파장을 인식한다 . 600nm 부근: 빨간색, 550nm 부근: 녹색 450nm 부근: 파란색 ☞ 두 종류 이상의 세포가 동시에 감응할 수가 있고 , 두뇌가 이 정보를 복합된 색으로 인식하기 때문에 실제로는 다양한 색을 볼 수 있다 . . 백열등의 단점 ☞ 백열등도 태양과 유사한 흑체 복사에 의한 광원이지만 , 필라멘트의 온도가 낮아 , 빛의 대부분이 우리가 볼 수 없는 적외선 형태로 나오므로 에너지 효율이 낮다 . ☞ 가스 방전등은 백열등보다 에너지 효율이 높고 흰색을 낼 수 있어 조명등으로 훨씬 적합하다 . 그 예로 형광등은 적외선으로 인한 열의 손실이 없으므로 에너지 손실이 적다 . 이해도 확인 2: 사진관의 조명등의 경우 햇빛과 가깝게 하기 위해 백열등 앞에 청색 필터를 사용해 빨간색을 줄인다 . 이 필터를 사용하면 에너지 효율이 높아질까 아니면 낮아질까 ? . 형광등 : 원자와 빛 ☞ 형광등은 양쪽 끝이 봉해진 좁은 유리관에 아르곤 , 네온, 크립톤 가스가 대기압의 약 0.3% 정도의 압력으로 차 있고 , 관에는 액체 수은 한 두 방울 정도가 들어 있어 일부는 증발해 수은 증기가 된다 . 관 속 가스의 약 천 분의 1을 차지하는 이 수은 가스가 빛을 내는 역할을 한다 . ☞ 관에 전류를 흐르게 하는 방식 : 전류는 음극에서 전자가 나와 양극으로 끌려가면서 흐른다 . 1. 전극을 가열하여 전자가 전극에서 튀어나오게 한다 . 2. 양쪽 전압에 높은 전압을 걸어주어 전자가 튀어 나오게 한다 . ☞ 전류가 흐르게 되면 전자들은 수은 원자와 충돌하며 , 수은 원자가 전자의 운동에너지를 흡수하여 이를 다시 빛으로 방출하게 된다 . : 수은 원자가 전자와 강하게 충돌하게 되면 , 전자는 궤도를 바꾸어 한 두 전자는 비어 있는 다른 궤도 (들 뜬 상태 )로 이동하게 되며 , 들 뜬 상태로부터 바닥상태로 돌아 오면서 빛을 내게 된다 . ☞ 복사 전이 : 빛이 흡수 되거나 방출되는 전자의 전이 . (높은 온도에서 물체가 빛을 내는 백열상태와 구분된다 .) :복사 전이를 할 때 내 놓는 빛과 에너지의 관계 에너지=플랑크상수 x 진동수 ☞ 수은 원자가 내는 빛의 파장은 254nm 의 자외선이다 . : 이 빛은 관의 유리를 통과하지 못하고 눈에도 보이지 않기 때문에 , 형광등 벽에 고체로 된 형광 물질을 발라 자외선을 가시광선으로 바꾼다 . . 형광등의 부속장치 ☞ 관속에서는 전자들끼리는 서로 밀쳐 벽 쪽으로 밀려가기 때문에 수은 원자를 양 이온으로 대전하여 전자를 끌어당긴다 . 이런 양이온들과 전자들이 기체의 형태로 섞여 있는 것을 플라즈마 라고 한다 . ☞ 붉은 빛을 내는 네온사인은 플라즈마 상태의 네온 원자가 바닦 상태로 돌아가며 , 633nm 파장의 붉은 빛을 낸다 . . 수은등 및 나트륨 등 ☞ 고압수은등 : 낮은 압력의 수은에서도 가시광선이 약간 나오지만 , 압력이 높아 지게 되면 자외선은 수은 원자 안에 갇히게 되어 자외선보다 가시광선이 더 많이 나오게 된다 . :빛의 갇히는 현상은 수은 원자가 254nm 를 방출함과 동시에 흡수하기 때문에 일어나는 현상이다 . :고압 수은 등을 켜는 순간에는 수은이 액체 상태로 있어 기체 압력이 낮기 때문에 약한 빛이 나오지만 , 방전에 의해 수은이 뜨거워지면서 고밀도의 기체가 되면 밝은 청백색의 빛을 내놓는다 . ☞ 나트륨 등은 수은등과 비슷하지만 나트륨은 상온에서 고체이기 때문에 저압이나 고압 나트륨의 경우 처음 작동할 때 가열을 해 주어야 한다 . 저압나트륨 등 : 590nm 파장의 빛이 나온다 . 고속도로 등에서 볼 수 있으나 , 단색광 이라서 가정에서 사용하기엔 적합하지 않다 . 고압나트륨 등 : 고압상태의 나트륨 원자가 서로 충돌할 때 전자괘도를 변형시켜 나오는 빛의 파장을 변형시키기 때문에 590nm 이외의 여러 파장의 빛이 섞여 나온다 . 12-3 레이저1950년대후반에발명된레이저는금속절단이나사람의동맥청소, 토지측량및CD의작동등수없이많은분야에이용되고있다. 그런데레이저의중요성은단지이러한응용에만있는것이아니라, 양자물리학과광학이론을결합하여완전히새로운형태의빛을만들어낸다는데있다. 여기서는새로운빛의성질과이빛을발생시키는원리에대해알아보도록한다. 질문: 1. 레이저는왜일반적으로밝은색의빛을띠며가느다란광선모양으로나타날까? 2. 영화에서보면레이저는밝은광선을방출하고사람은재빨리몸을돌려이광선을피하는데, 이것은실제로가능한일인가? 실험: 주변에있는레이저를관찰해보자. 1950년대후반에발명된레이저는금속절단이나사람의동맥청소, 토지측량및CD의작동등수없이많은분야에이용되고있다. 그런데레이저의중요성은단지이러한응용에만있는것이아니라, 양자물리학과광학이론을결합하여완전히새로운형태의빛을만들어낸다는데있다. 여기서는새로운빛의성질과이빛을발생시키는원리에대해알아보도록한다. 질문: 1. 레이저는왜일반적으로밝은색의빛을띠며가느다란광선모양으로나타날까? 2. 영화에서보면레이저는밝은광선을방출하고사람은재빨리몸을돌려이광선을피하는데, 이것은실제로가능한일인가? 실험: 주변에있는레이저를관찰해보자. . 레이저와 레이저 광 ☞ 레이저는 보통 빛과 다르다 ? 보통 빛 : 뜨거운 물체나 전기 방전 등을 통해 나오는 빛의 경우 빛의 입자인 광자는 근처에서 나오는 다른 빛의 입자들과 상관없이 방출된다 . 자발적인 방출 (spontaneous emission of radiation) 레이저:/ 자극에 의한 방출 (stimulated emission of radiation) 을 이용한 빛이다 . /1920-30 년대의 과학자들은 들뜬 원자 들이 그 안을 지나가는 광자를 복제하여 새로운 광자를 방출할 수 있다고 예언했다 . 들뜬 원자가 자발적으로 광자를 내 놓을 수 있는 경우에, 그 안을 지나가는 같은 광자에 자극되어 새로운 광자를 복제하여 방출하며 , 복제되어 나오는 광자는 원래의 광자와 똑같기 때문에 구별할 수 없고 , 서로 합해져 단일 파장의 전자기파를 형성한다 . /들뜬 원자가 충분히 많으면 이 속을 지나가는 단 하나의 광자가 몇 번이고 정확하게 복제될 수 있어 곧 수천 , 수만, 심지어 수조개의 똑 같은 광자들로 늘어 날 수 있다 . 이렇게 증폭된 강한 광선을 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 라 한다 . . 레이저와 레이저 광 ☞ 자극 방출에 의하여 빛을 낼 때는 모든 빛 입자들은 똑 같아 한 종류의 전자기파를 형성한다 . 이처럼 많은 동일한 광자와 한 가지의 전자기파로 구성되어 있는 빛을 결맞은 빛 (coherent light) 이라고 한다 . 레이저의 특징 : 1. 단 색성이 좋다 . 2. 빛을 동일한 방향으로 모이게 하기 쉽다 . ? 3. 결맞은 빛이다 . 간섭효과가 두드러진다 . 4. 강하다. 밝다. . 광 증폭기와 진동 ☞ 결맞은 빛을 만들기 위해서는 한 광자를 여러 번 복제해야 하는데 , 이런 복제를 위한 기본적인 장치가 레이저 증폭기 이다 . ☞ 레이저 매질 : 들 뜬 원자나 이와 유사한 체계로 이루어지며 , 약한 빛이 레이저 매질 속에 들어가면 자극에 의한 방출로 빛은 증폭되어 더 밝아진다 . 희미한빛 밝은빛 ☞ 레이저 진동자 : / 초기 광자를 공급하기 위하여 레이저 매질 자체를 사용한다 . / 레이저 매질 양쪽에 잘 설계된 거울 한 쌍을 놓으면 , 들뜬 원자 중 하나에서 올바른 방향으로 자발적으로 방출된 광자가 거울에서 반사되어 레이저 매질로 되돌아 올 수 있다 . / 반사된 광자가 레이저매질을 통과할 때 광자는 증폭되며 , 레이저 매질을 빠져 나갈 때 이미 여러 번 복제되어 동일한 광자 집단이 되어 두 번째 거울에서 반사되어 다시 레이저 매질로 돌아온다 . / 광자들은 두 거울 사이를 반복하면서 그 수가 천문학적으로 커지다가 어느 한계에 이르면 레이저 매질은 빛을 더 증폭 시키지 못한다 . / 증폭된 빛이 레이저 진동자 밖으로 나오게 하기 위해 , 거울 중 하나는 빛의 일부를 투과하도록 설계 되어 있고 , 이렇게 투과해 나간 광선이 레이저 광선이다 . 레이저 매질 전반사 거울 반투명 거울 이해도 확인 2: 더 좋아질까 ? 어느 레이저 진동 자로부터의 레이저 빔을 유사한 레이저 증폭기를 통해 보내면 이 빔은 어떻게 되는가 ? . 레이저 매질의 작동원리 ☞ 레이저에서는 빛을 증폭할 수 있는 들뜬 상태를 얻는 것이 아주 중요한 문제이다 . 들뜬 상태에 있는 원자가 바닥상태에 있는 원자보다 적으면 , 자극에 의한 방출 보다 흡수율이 클 것이므로 빛의 증폭이 어렵다 . 즉, 들뜬 상태에 있는 원자가 바닥상태에 있는 원자보다 많은 밀도 반전 (Population Inversion) 를 얻어야 한다 . ☞ 이상적으로 레이저 작동을 하기 위해서는 매질이 네 가지의 상태 , 즉 바닥 상태 , 여기 상태 , 상부 레이저 상태 , 하부 레이저 상태를 가져야 한다 . 1. 원자는 처음에 바닥상태에 있다가 , 광자의 충돌이나 흡수를 통해 에너지를 공급받아 들뜬 상태로 변한다. (펌프작용 ) 2. 들뜬 원자는 광자를 방출하거나 충돌을 일으켜서 중간상태인 상부레이저 상태로 이동한다 . 중간상태는 원자가 바로 바닥상태로 돌아가는 것을 막아준다 . 상부레이저 상태로 전환되면 , 그 상태에 머물며 빛을 증폭할 준비를 한다 . 3. 이 때 적당한 광자가 원자를 지나가면서 복제 광자를 방출시키면 원자는 하부 레이저 상태로 복사 전이한다 . 4. 원자가 하부레이저 상태에 머물게 되면 , 원자는 다시 레이저 빛의 광자를 흡수해서 상부레이저 상태로 돌아갈 수 있기 때문에 , 이런 재흡수를 피하기 위해서 바닥상태로 재빨리 옮겨가야 한다 . 들뜬상태 상부레이저 상태 2 3 1 4 바닥상태 하부레이저 상태 이해도 확인 3: 007 잠깐만 ! 영화에 등장하는 첩보원들은 소형 휴대용 레이저로 두꺼운 철을 녹여 구멍을 뚫는다 . 일률의 관점에서 이것은 현실적으로 가능한가 ?