제22강 빛의 반사와 굴절 22.1 빛의 본질 • 입자론 • 파동론 뉴턴, 빛의 반사와 굴절 설명 호이겐스, 반사와 굴절 설명 프란체스코 그리말디: 빛의 회절에 대한 실험적인 증거 17C, 18C 호이겐스, 반사와 굴절 설명 음파(소리), 수파(물)와 같이 장애물을 만나면 휘어야 한다. → 회절(diffraction)현상 22장 빛의 반사와 굴절

• 빛의 이중성 ＊빛의 간섭현상: 토마스 영, 1801년 → 빛의 파동성에 대한 확실한 증거 ＊1865년, 맥스웰, 빛: 일종의 고주파수의 전자기파 빛의 속도:3×108m/s 헤르쯔: 실험적 입증 ＊빛의 간섭현상: 토마스 영, 1801년 → 빛의 파동성에 대한 확실한 증거 두 개의 광원 부근에 있는 한 점에서 합쳐지기도 하고, 상쇄되기도 함. 19C • 빛의 이중성 ＊ 광전효과 헤르쯔, 금속표면에 빛을 쬐어주면 광전자가 방출 광전자의 최대 운동에너지: 빛의 세기와 무관, 빛의 진동수가 증가하면 최대 운동에너지도 증가

1905, 아인슈타인, 빛의 양자론 빛이 “광양자”(photon)라고 불리는 불연속적인 에너지를 갖는 양자로 구성 빛의 진행: 고전 전자기파 이론으로 설명, 파동 빛과 물질의 상호작용: 빛의 광양자 이론

대략적으로, 지구 공전궤도 반경만큼 빛이 더 진행해야 함. 22.2 광속의 측정 • 뢰머의 방법 목성의 공전주기: 12년 Io(아이오) 위성주기: 42.5시간 시작: E1 석달 후 E2 그 사이에 목성: J1 → J2(약간 변동) ∴목성과 지구 사이의 거리변동 → 목성으로부터 지구에 도달하는 빛이 걸리는 시간이 달라짐.(600초 정도 더 걸림) 대략적으로, 지구 공전궤도 반경만큼 빛이 더 진행해야 함. ↓

• 피조의 방법 회전하는 톱니바퀴를 사용하여 광속 측정 빛이 왕복하는 시간 t동안에 톱니바퀴가 회전하는 각: • 피조의 방법

예제 22.1 피조의 톱니바퀴를 이용한 광속 측정 피조의 실험에서 톱니바퀴가 360개의 톱니를 가지고, 27.5rev/s의 속력으로 회전하고 있다. 광원으로부터 나온 빛이 가려질 때, 즉 톱니바퀴의 틈 A를 통과한 빛이 반사되어 되돌아 올 때, 톱니 B에 의하여 막히게 된다고 가정하자. 거울까지의 거리가 7500m라 하고, 광속을 구하라.

22.3 기하광학에서의 광선 근사 • 광선(Ray) 오른쪽으로 진행하는 평면파 파면에 수직한 직선으로 표현

22.4 반사와 굴절 • 빛의 반사 ◦거울 반사 반사된 광선: 평행 거울 반사 매끄러운 표면 ◦퍼진 반사 광선이 여러 방향으로 반사

반사 법칙 반사 법칙

예제 22.2 이중 반사하는 광선 두 개의 거울이 서로 120°의 각을 이루고 있다. 한 광선이 법선에 대해서 65°의 각으로 거울 M1에 입사한다. 거울 M2에서 반사된 이 광선의 방향을 구하라. 예제 22.2 이중 반사하는 광선 광선의 방향 90°-65°=25°

• 빛의 굴절 :매질1 에서의 광속 :매질2 에서의 광속 스넬의 법칙: 굴절면을 통과하는 광선의 경로: 가역 A→B, B→A :매질1 에서의 광속 :매질2 에서의 광속 • 빛의 굴절 스넬의 법칙: 굴절면을 통과하는 광선의 경로: 가역 A→B, B→A

22.5 굴절의 법칙 굴절: 빛이 한 매질에서 광속이 다른 매질로 진행할 때, 굴절이 일어난다. 굴절률: 광속이 v인 매질에서의 굴절률은 ＊ 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 진동수는 변하지 않는다. 22.5 굴절의 법칙

예제 22.3 굴절률 측정 진공에서의 빛의 파장 굴절률 n인 매질에서의 빛의 파장 스넬의 법칙: 550nm인 빛이 공기 중에서 널빤지 모양의 투명한 물질로 입사된다. 입사 광선은 법선과 40°의 각을 이루고, 굴절 광선은 법선과 26°의 각을 이룬다. 이 물질의 굴절률은 얼마인가? 진공에서의 빛의 파장

22.6 분산과 프리즘 굴절률 ∴굴절률이 빛의 파장에 따라 다르다. ↓ 빛이 굴절되는 물질 속으로 입사되면, 스넬의 법칙에 따라 파장에 따라 굴절각이 달라지게 된다. → 파장이 짧을 수록 굴절률이 크다. → 빛의 분산 22.6 분산과 프리즘

22.7 무지개 빛의 분산의 전형적인 예 22.7 무지개

22.8 호이겐스의 원리 호이겐스 원리 이용 → 빛의 반사와 굴절에 대한 설명 가능 • 파면(wavefront): 파에서 같은 위상과 진폭을 갖는 모든 점들을 연결한 면(파동 앞의 선) 파면 상의 모든 점은 2차 구면파를 형성하는 점 파원으로 생각. 시간이 지난 후에 파면의 새로운 위치는 2차파의 접선면. (1) 평면파 (2) 구면파

22.9 내부 전반사 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 진행할 때 전반사가 일어날 수 있다. (2) 구면파

응용: 광학섬유 원거리 통신망에서 음성, 데이터, 영상 신호 전달 ←가늘은 섬유 광선: 전반사를 하면서 진행 응용: 광학섬유

예제 22.4 물고기 눈으로 보는 경치 (a) 물의 굴절률이 1.33일 때, 물-공기 경계면에 대한 임계각을 구하라. (b) (a)의 결과를 써서 물고기가 40°,48.8° 및 60°의 각도로 물의 표면을 올려다 볼 때, 물고기가 무엇을 볼 것인지 예측하라. 40°: 임계각보다 작으므로 물고기는 물 위의 대기를 볼 수 있다. 48.8°: 임계각이므로 물고기에 들어오는 빛은 물고기의 눈으로 굴절되기 전에 수면을 따라 진행하여야 한다. 60°: 임계각보다 크므로 연못 바닥에 있는 물체의 반사된 상을 보게 된다. 예제 22.7 물고기 눈으로 보는 경치