-빛의 성질과 광학, 그 응용- 물리 현상의 원리 11조 물리현상의 원리 11조 기 하 광 학 -빛의 성질과 광학, 그 응용- 물리 현상의 원리 11조

1. 빛의 성질 (1) 반사 : 빛이 물체의 표면에 입사하면 빛의 일부가 반사하게 된다. 95% 정도가 반사하게 된다. 빛이 입사할 때 평면과 빛이 이루는 각은 반사될 때의 빛과 평면이 이루는 각이 같다는 법칙이 반사의 법칙이다. 이에는 전반사와 난반사가 있다.

(2) 굴절 : 빛이 한 매질로부터 다른 매질로 입사하면 입사한 빛의 일부는 경계면에서 반사되고 나머지는 새로운 매질 속으로 투과된다. 광선이 경계면에서 수직이 아닌 각으로 입사하면 새로운 매질에서 그 방향이 바뀌어지며 이러한 현상을 굴절이라 한다. 굴절은 스넬의 법칙에 의한다.

(3) 회절 : 빛을 파동으로 이해하였을 때, 빛이 모서리에서 휘거나 번져나가는 현상. 프레넬의 실험(물리 현상의 원리 강의 양자역학 부분 참고)에서 빛이 원판을 만나면 둥그런 그림자가 생기는데, 가운데에 밝은 점이 생기는 현상이 이 회절 현상이다.이 는 보강 간섭을 일으키는 경우이다. 다음은 영의 2중 슬릿 실험이다.

(4) 간섭 : 호이겐스(C. Huygens : 1629-1695)는 호이겐스의 원리로 빛의 파동론을 제창했다. 이 호이겐스의 원리는 파면상의 모든 점들은 작은 파동을 만드는 파동의 근원이라 볼 수 있고 이들 작은 파동들은 원래 파동의 전파속도로 전방으로 파급되 어 간다. 이 때 새로운 파면(wave front)은 이들 작은 파면들의 접선으로 이루어지는 포괄면(envelope)이다. 이러한 빛의 파동성에 의하면 다음의 영의 실험에서 나타나 는 빛의 스펙트럼 현상을 설명할 수 있다.

두 슬립을 통과한 파동은 같은 거리를 진행할 경우, 두 파동의 위상이 같아 보강간섭 이 일어나게 되고 반대로 두 광파의 진행 거리가 한 파장의 정수배만큼 차이가 날 경우 보강간섭이 일어난다. 반대로 두 광로의 차가 반파장이 되는 경우에는 소멸간섭이 일 어난다. (5) 편광 : 파가 진행힐 때, 한 평면 내에서만 진동한다고 한다면 파의 진행경로에 수직 격자를 놓으면 수직 편광된 파는 지나갈 수 없을 것이다. 이와 같이 빛이 파동은 어떤 평면 내에서만 운동하는 파들이 모인 것이라 생각하는 것이 편광이다.

2. 기하 광학 빛의 경로를 직선 광선으로 가정하고 여러 매질에서 빛이 어떻게 움직일 지에 대하여 탐구한 학문이다. 여기서는 거울과 렌즈의 광학에 대하여 그림을 중심으 로 알아보도록 하겠다. (1) 거울 : 거울에는 평면 거울, 볼록 거울, 오목 거울이 있다. 평면 거울에서는 반사의 법칙이 가장 중요하며 볼록, 오목 거울에서는 상의 모양과 위치를 예측할 때 에 빛이 곡면의 중심에 수직인 직선에 평행하게 들어올 때 반사되어 초점을 항상 지난다는 1번째 법칙이 가장 중요하며 구면의 중심에서 초점까지의 거 리의 2배의 위치를 통과하는 빛은 항상 다시 그 위치로 그대로 돌아온다는 2번째 법칙이 중요하다. 또한 초점을 통과하여 들어오는 빛은 항상 곡면의 중심에 수직인 직선에 평행하게 반사된다는 3법칙이 고려되어야 한다. 그럼 지금부터 각 거울들의 상의 모습을 그림을 통하여 알아보도록 하겠다.

(2) 렌즈 : 렌즈는 빛의 굴절을 이용한 기기이다. 오목 렌즈와 볼록 렌즈가 가장 기초적 이며 다른 렌즈들은 이들을 그대로 응용한 것이다. 이도 또한 그림을 통하여 알 아 보도록 하자.

렌즈도 거울과 마찬가지로 렌즈의 중심에 수직인 직선에 평행하게 렌즈를 통과한 광선 은 그 초점을 지난다. 이가 1법칙이다. 오목렌즈의 경우 초점이 광원의 방향에 있기 때문 에 발산 렌즈가 될 수 밖에 없다. 그리고 렌즈의 중심을 통과하면 그대로 굴절이 되지 않 는다는 것이 2법칙이다. 또한 빛이 렌즈의 중심과 평행하게 들어가지 않는 경우에는 렌 즈의 중심에 수직인 직선에 평행하게 빛이 굴절하게 된다. 이가 3법칙이다. 이 3법칙에 따르면 상을 구할 수 있다. 3. 광학의 응용 (1) Prism : 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라진다는 현상을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 알 수 있도록 고안되어진 장치이다. 빛의 가시광선, 자외선, 적외선 특히 적외선과 자외선은 눈으로 구별할 수 없지만, 태양빛의 가시광선의 경우 빨주노초파남보 7가지 색깔의 빛이 각각 파장이 다르기 때문에 프리즘을 통하면 각 빛의 굴절률이 달라져 식별이 가능하게 된다. 이것이 프리즘이다.그림을 통하여 살펴보자.

(2) Optical fiber : 이 또한 빛의 전반사를 이용한 기술이다. 이도 또한 그림을 통하여 알아보도록 하자. 빛의 속도를 이용한 정보 전달 기술로써 그의 속도 는 타의 추종을 불허한다.

(3) 안경의 렌즈 : 렌즈는 기하 광학이 가장 인간에게 적절히 이용되어진 기구라는 생각이 들고 매우 높게 평가되어져야 할 기술이라 생각한다. 여기서는 안경의 기능별 원리를 살펴보도록 하겠다. ★ 편광렌즈 : 편광렌즈는 어느 특정 방향으로 진행하는 빛을 중심으로 통과 시키므로 모든 방향으로 진동하는 자연광의 에너지보다 상당히 그 빛에너 지가 줄어들게 되어 멸광효과를 얻을 수 있으므로 선글라스로 역할을 할 수 있다.

★ 자외선차단렌즈 : 필요 이상의 자외선은 피부암을 일으키고 우리눈에 각막염 과 백내장이나 다른 안질환의 원인이 될 수 있다. 그리고 현대에는 오존층의 파괴와 환경오염으로 인한 자외선의 양과 도시의 빌딩들에 의한 반사로 자외 선 양이 많아짐에 따라 UV흡수렌즈는 필수적으로 착용해야 한다. 자외선렌즈는 315nm~380nm까지의 자외선을 완전 차단할 수 있으며 자외선 투과율 측정기를 사용하여 어느 영역의 자외선을 얼마만큼 차단하는지를 반드 시 확인해야 한다. => 자외선에는, 3 개의 타입이 있습니다. UV-A 오랫동안 접촉을 하면 피부를 검게 된다.UV-A는 수정체에 흡수되어, 백내 장의 원인이 된다. UV- B 오래동안 접촉이 되면 피부가 붉게 된다.. 각막의 염증을 일으키는 원인이 되기도 한다 UV- C 오존층에서 흡수되고, 거의 지표에는 닿지 않는다

(4) 홀로그램 : 홀로그램이란 두 빛의 간섭 효과를 이용한 기술로서 물체에 부딪쳐 ★ 차광렌즈 차광효과가 있는 렌즈에는 칼라렌즈와 미러렌즈가 있다. 칼라렌즈는 과도한 빛 에너지가 눈에 일시에 들어오는 것을 막아주고 자외선을 흡수하여 눈에 이르지 못하게 하기 위해 사용하는 렌즈이다. 또한 눈의 보호와 미용적인 목적으로 많 이 사용되고 있다. 미러렌즈의 경우 등산용 고글이나 선글라스 렌즈에는 대부분 이 미러코팅이 되어 있다. 대개의 경우 이 코팅의 소재로 수은을 상용해 왔으나 최근에 와서는 백금과 티타늄을 소재로 한 첨단 기법을 사용하고 있다. 렌즈 표 면에 미러코팅을 하는 이유는 자외선과 반사광선을 차단 눈을 보호하기 위해서 이다. 대부분의 렌즈는 70%정도만 자외선을 차단하나 미러렌즈는 100% 차단효과 를 보이고 있다. (4) 홀로그램 : 홀로그램이란 두 빛의 간섭 효과를 이용한 기술로서 물체에 부딪쳐 나오는 빛으로 말미암아 물체가 보이는 것이므로 이 물체의 빛을 다시 만들 수만 있다면 실제의 물체와 똑같은 형상을 재현할 수 있을 것이다. 홀로그램은 이것을 실현한 것으로 레이저 빛을 사용하여 물체에서 부딪 쳐 나오는 물체파를 또다른 방향에서 온 레이저 빛과 만나게 하여 사진 필름에 함께 기록한다. 이때 두 방향의 빛이 만나면 물체의 각 부분에서 반사된 물체파의 위상의 차이에 따라서 밝고 어두운 수많은 선으로 이루 어진 간섭 무늬가 생기는데 바로 이 간섭무늬 안에 물체의 진폭과 위상 이 함께 기록된다고 할 수 있다. 홀로그햄의 원리를 그림으로 한 번 알아보 자.