(Reflection and Refraction of Light)

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1 (Reflection and Refraction of Light)
Ch.25 빛의 반사와 굴절 (Reflection and Refraction of Light) 25.1 빛의 본질 25.2 기하 광학에서의 광선 모형 25.3 분석 모형: 반사파 25.4 분석 모형: 굴절파 25.5 분산과 프리즘 25.6 호이겐스의 원리 25.7 내부 전반사 25.8 연결 주제: 광섬유

2 빛에 관한 두 가지 역사적인 모형을 소개한다. 기하 광학의 기본적인 현상인 빛의 반사, 굴절 그리고 분산에 대하여 공부한다. 광섬유의 작동 원리인 내부 전반사 현상에 대하여 공부한다.

3 25.1 빛의 본질(The Nature of Light)
빛의 입자론 : 빛은 광원으로부터 방출되는 입자의 흐름이다. 뉴턴은 반사와 굴절의 법칙 등의 여러 가지 빛의 본질에 관하여 알려진 실험적 사실들을 입자론을 근거로 설명하였다. 빛의 파동론: 1678. 호이겐스 : 빛의 반사와 굴절 법칙을 파동론으로 설명 1801. 영 : 빛의 파동적 본질(간섭 현상)을 처음으로 증명. 1873. 맥스웰 : 빛은 높은 진동수를 가진 전자기파의 한 형태 빛의 이중적 성질 : 빛은 어떤 상황에서는 파동적 특성을 그리고 다른 상황에서는 입자적 특성을 나타낸다. 고전 전자기학 이론으로 설명할 수 없는 현상들이 있다. - Ex.) 헤르츠 “광전효과“… 빛 –> 금속표면 => 전자 방출 … 전자의 운동E : 빛의 세기와 무관 => 플랑크 양자 개념 도입 1905. 아인슈타인 설명 …”Nobel Prize” - 빛의 파동 에너지가 광자라고 하는 입자 내에 존재 : 가정 … “에너지 양자화 E=hf” (플랑크 상수, Ch.40 참조)

4 25.2 기하 광학에서의 광선 모형(The Ray Model in Geometric Optics)
광선 광학(ray optics, 기하 광학이라고도 함): 빛은 균일한 매질을 지날 때에는 직선 방향으로 고정된 방향으로 진행하고, 다른 매질과의 경계면을 만나거나, 시간적으로 또는 공간에 따라 매질의 광학적 성질이 불균일할 때에는 진행 방향을 바꾼다고 가정. 광선 근사(ray approximation): 광선이란 평면파의 경우 파면에 수직인 직선이다. 광선 근사에서, 매질을 통하여 이동하는 파동은 광선의 방향을 따라 직선으로 진행한다.

5 진행하는 파동이 원형의 틈을 가진 장애물을 만날 때,
(a) 틈의 지름이 파장보다 상당히 클 경우 빛은 직선으로 계속 진행한다 (b) 틈이 파장 크기의 정도로 작은 경우에, 파동은 이 틈으로부터 모든 방향으로 퍼지며, 이와 같은 효과를 회절이라 한다. (c) 틈이 파장보다 매우 작을 경우, 이 틈은 근사적으로 점 파원으로 볼 수 있다.

6 25.3 분석 모형: 반사파(Analysis Model: Wave Under Reflection)
정반사(specular reflection): 반사 광선은 서로 평행하게 된다. 반사 광선의 방향은 입사 광선을 포함하고 반사면에 수직인 평면 상에 놓인다. 난반사(diffuse reflection): 거친 면으로부터 반사될 때 반사 광선은 여러 방향으로 흩어진다. ; 반사의 법칙(law of reflection)

7 이중으로 반사된 광선 예제 25.1 그림과 같이 두 개의 거울이 서로 120°의 각을 이루고 놓여있다. 거울 M1에 65°의 입사각으로 들어온 광선이 거울 M2 로부터 반사될 때의 방향을 구하라. 풀이 첫 번째 반사 광선이 수평면과 이루는 각도 그림에서 입사 광선과 반사 광선을 거울 뒤로 연장하면 두 광선은 60°의 각으로 교차할 것이며, 광선의 방향 변화는 모두 120°가 된다. 이는 곧 거울의 사이각이다. 광선의 방향 변화는 항상 거울의 사이각과 일치하지는 않으며, 위의 경우는 특별한 경우이다. 사이각이 90도인 경우 방향 변화는 180도가 되어 반사된 빛은 원래의 방향으로 돌아가게 된다.(역반사, retroreflection)

8 역반사(retroreflection): 두 거울 사이의 각이 90°인 경우 반사된 빔은 원래 들어온 경로와 평행하게 되돌아간다.
역반사의 응용 디지털 미세 거울 소자

9 25.4 분석 모형: 굴절파(Analysis Model: Wave Under Refraction)
굴절각( )는 두 매질의 성질과 입사각( )에 의해 결정된다. 과 는 첫 번째와 두 번째 매질에서 빛의 속력이다. 굴절면을 지나 진행하는 광선의 경로는 가역적 이다. "여기에 수식을 입력하십시오."

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11 굴절률(Index of refraction):

12 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 파동의 진동수 f 는 변하지 않으나 파장은 변한다.
매질의 굴절률: ; 스넬의 굴절 법칙 (Snell’s law of refraction)

13 유리의 굴절각 예제 25.2 파장이 589mm인 빛이 공기 중에서 투명하고 평평한 크라운 유리로 법선과 이루는 입사각 30.0°인 상태로 입사한다. (A) 굴절각, (B) 유리에서 이 빛의 속력 및 (C) 빛의 파장을 구하라. 풀이 이므로

14 평행판을 투과하는 빛 예제 25.3 빛이 매질 1로부터 매질 2, 즉 굴절률이 n2인 두꺼운 평행판을 투과한다. 투과된 빛이 입사한 빛과 평행함을 보여라. 풀이 만약 평행판의 두께가 두 배로 되면 두 광로 사이의 거리 d 도 두 배로 되는가? 광로 사이의 거리 d 가 평행판 두께에 비례한다.

15 25.5 분산과 프리즘(Dispersion and Prisms)
일반적으로 파장이 증가함에 따라 굴절률은 감소한다. 이는 빛이 어떤 물질에서 굴절될 때, 파란색 빛이 빨간색 빛보다 더 많이 꺾임을 의미한다.

16 25.6 호이겐스의 원리(Huygen’s Principle)
“파면상의 모든 점은 소파(wavelet)라고 하는 2차 구면파를 생성하는 점 파원으로 생각할 수 있으며, 이 소파는 매질에서의 파동 속력을 가지고 모든 방향으로 전파된다. 얼마의 시간이 경과한 후, 새로운 파면의 위치는 이 소파의 접하는 면(포락면)이다.”

17 반사와 굴절에 적용한 호이겐스의 원리(Huygens’s Principle Applied to Reflection and Refraction)
(반사의 법칙)

18 (스넬의 굴절 법칙)

19 25.7 내부 전반사(Total Internal Reflection)
임계각(critical angle)이라 하는 어떤 특정한 입사각 θc에서, 굴절 광선은 경계면과 평행하게 진행하므로 θ2=90°이다. ;내부 전반사가 일어나기 위한 임계각

20 물의 굴절률이 1.33이라면 공기-물 경계면에서 임계각은 얼마인가?
물고기의 눈에 보이는 전경 예제 25.4 물의 굴절률이 1.33이라면 공기-물 경계면에서 임계각은 얼마인가? 풀이 제25장 빛의 반사와 굴절

21 25.8 연결 주제: 광섬유(Context Connection: Optical Fibers)
실제 광섬유는 투명한 중심부를 중심부보다 굴절률이 작은 클래딩(cladding)이 감싸고 있으며, 바깥에는 기계적인 손상을 막기 위하여 플라스틱 피복으로 쌓여 있다. 연속적인 전반사를 통하여 빛을 파이프 내부에 가두어 전달할 수 있다. 2009. Nobel Prize … Charles K. Kao “광섬유 광학＂

22 제25장 빛의 반사와 굴절