0. 목차
- 빛은 전자기파
- 빛의 속도
- '빛'과 '전기와 자기'의 관계
- 전자기파의 발생
- 투명과 불투명
- 광자(Photon)
1. 빛은 전자기파
'빛(Light)'은 '전자기파(Electromagnetic Radiation)'이다. 전자기파에는 여러 종류가 있다. 휴대폰 등의 통신에 쓰이는 '라디오파(Radio Wave)', 전자레인지 등에 쓰이는 '마이크로파(Mmicrowave), 물건을 데우는 '적외선(Infrared)', 눈에 보이는 '가시광선(Visible Rays)', 햇볕에 타는 원인이 되는 '자외선(UV, Ultraviolet Rays)', X선 촬영에 쓰이는 'X선(x-ray)', 방사성 물질에서 나오는 '감마선(Gamma Ray)' 등이 모두 전자기파이다. 이들은 파장이 서로 다른 같은 무리이다.
각 전자기파의 파장 영역이 명확하게 결정되어 있는 것은 아니다. 각각의 파장 영역에는 겹치는 부분이 있다. '라디오파Radio wave)'가 파장이 가장 길고, '감마선(gamma ray)'의 파장이 가장 짧다.
- 라디오파(Radio wave): 약 1m 이상의 파장
- 마이크로파(Microwave): 1mm ~ 1m 정도의 파장
- 적외선(Infrared): 1mm~ 800nm 정도의 파장
- 가시광선(Visible rays): 800~400nm 정도의 파장
- 자외선(Ultraviolet rays): 400~10nm 정도의 파장
- X선(X-ray): 10nm~1pm 정도의 파장
- 감마선(Gamma ray): 약 10pm 이하의 파장
1-1. 빛이 전자기파임을 어떻게 알아냈는가?
그런데 빛이 전자기파라는 사실은 어떻게 알아냈을까? 전기와 자기의 이론인 '전자기학(Electromagnetism)'의 창시자인 영국의 '제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)'은 전자기학의 방정식에서 전자기파가 나아가는 속도가 초속 약 30만 km라는 결론에 도달했다. 이 수치는 당시 알려져 있던 '빛(가시광선)'의 빠르기와 거의 일치했다. 맥스웰은 빛이 전자기파의 일종임을 간파하고 있었던 것이다.
2. 빛의 속도
빛의 실제 속도는 정확하게 초속 299792.458km이다. 지구의 둘레는 약 4만 km이므로, 빛을 1초 동안에 지구 둘레를 일곱 바퀴 반 돌 수 있는 속도다. 그러면 이 엄청난 속도를 19세기에 어떻게 측정했을까?
2-1. 피조의 광속 측정 실험
1849년, 프랑스의 물리학자 '아르망 피조(Armand Hippolyte Louis Fizeau, 1819~1896)'는 최초로 빛의 속도를 매우 정확하게 측정하는데 성공했다. 이때 측정한 값은 초속 31만 3274.304km로, 실제 빛의 속도와 비슷한 값을 얻을 수 있었다. 이 실험의 메커니즘은 다음과 같다.
피조는 8.633km 떨어진 곳에 반사거울을 설치하고, 톱니를 가진 톱니바퀴로 빛을 보내어, 그 빛이 반대쪽 거울에 반사되어 톱니 사이로 다시 들어올 수 있도록 장치했다. 톱니바퀴를 천천히 돌리자, 톱니 사이로 나간 빛이 반대쪽 거울에 반사되어, 그 톱니 틈새로 그대로 왔다. 빛이 톱니바퀴와 반사경 사이를 왕복하는 동안 톱니바퀴는 조금만 나아간다. 톱니바퀴의 회전수를 잘 조절해 이 동안 톱니바퀴가 반 개만큼 나아가게 하면, 돌아온 빛은 바퀴에 차단되어 관측자의 시야는 어두워진다. 회전수를 더 올리면, 빛이 왕복하는 사이에 톱니바퀴가 꼭 1개만큼 나아가게 된다. 이때 반사광은 바퀴의 틈새를 통과해 시야는 밝아진다. 피조는 이렇게 시야가 어두워질 때와 밝아질 때의 조건으로부터 계산을 이끌어내어 광속을 구했다.
3. '빛'과 '전기와 자기'의 관계
그러면 '빛은 전자기파(Electromagnetic Waves)'라는 말은 도대체 무엇을 의미하는 걸까? '전자기파'의 이름에도 나타나듯이 '전기(Electricity)'와 '자기(Magnetism)'와 깊은 관계가 있다. 빛이 무엇인지 확실하게 이해하려면, '전기'와 자기'의 기본부터 알아야 한다.
전기와 자기는 아주 비슷하다. 자기에 N 극과 S 극이 있는 것처럼, 전기에는 양과 음이 있다. 또 거리가 떨어져 있어도 힘을 미칠 수 있다는 점, 거리가 떨어질수록 약해진다는 점도 비슷하다. 빛의 정체를 알기 위해서는, 이처럼 비슷한 전기과 자기의 관계를 자세히 알아야 한다.
3-1. 자기장(Magnetic Field)
자석의 주변에 쇳가루를 흩뿌리면 아래의 모식도와 같은 무늬가 생기는데, 이것을 '자기력선'의 모식도라고 한다. 쇳가루가 작은 자석의 영향을 받아, 작은 자석이 됨으로써, N 극과 S 극이 서로 당기는 것처럼 질서정연하게 늘어선 것이다. 자기력선이 존재하는 영역에 작은 자석을 놓으면, 그곳의 자기력선 방향으로 자기력을 받는다. 그리고 작은 자석에 작용하는 자기력은 거리가 멀어질수록 약해진다. 이 자기력선이 생긴 공간, 즉 자기력이 미치는 공간을 '자기장(Magnetic Field)'이라고 한다.
3-2. 전기장(Electric Field)
전기 중에는 '정전기'가 있다. 고무풍선을 얇은 화장지 등으로 문지른 후, 음의 정전기를 띤 고무풍선을 수도꼭지의 물줄기에 접근시키면, 물줄기가 전기(정전기)의 힘으로 가까이 당겨진다. 이것은 물의 양의 전기가 음의 전기를 띤 풍선 쪽으로 당겨졌기 때문이다. 정전기를 띤 고무풍선이 주위에 '전기장(Electric Field; 전기 마당)'을 만들어 전기를 띤 물줄기를 잡아당긴 것이다.
액체 위에 작은 섬유를 많이 띄우고 거기에 '양의 전기를 띤 물체'와 '음의 전기를 띤 물체'를 넣으면 A와 B 같은 무늬가 생긴다. 아래는 이것을 모식도로 나타낸 것으로, 그림에서 화살표가 붙은 선을 '전기력선(Line of Electric Force)'이라고 한다. 양전기를 지닌 작은 입자를 새로 놓으면, A처럼 전기력선의 화살표 방향으로 전기력을 받는다. 음전기를 지닌 작은 입자를 새로 놓으면, B처럼 전기력선의 화살표 방향으로 전기력을 받는다.
3-4. 자기 마당의 변동으로 전기 마당을 발생시키고, 전기 마당의 변동으로 자기 마당을 발생시킨다.
3-4-1. 전자석(Electromagnet)
코일을 전원에 연결하고 전기를 흐르게 하면, 아래의 그림 A와 같은 '전자석(Electromagnet)'이 된다. 코일을 철심에 감은 전자석의 경우, 자기력이 더욱 강해지지만, 철심의 유무와 관계없이 코일에 전류를 흐르면 전자석이 된다.
그러면 코일에 전류를 흐르면 왜 전자석이 될까? 직선 도선에 전류를 흘리면, 도선 주위에는 B 그림의 '연두색 화살표'처럼 '자기장(자기 마당)'이 생긴다. 이 도선을 고리 모양으로 만들면 그림 A와 같은 '자기장(자기 마당, Magnetic Field)'이 생긴다. 즉, 고리 모양이 만드는 자기장이 겹쳐, A와 같은 전자석의 자기장이 만들어지는 것이다
3-4-2. 전자기 유도
아래의 그림처럼 자석을 코일에 출입시켜 보면, 전원이 없이도 코일에 전류가 흐르는데, 이것이 바로 '전자기 유도(Electromagnetic induction)'라는 현상이다. 자석 주위에는 '자기 마당(자기력선)'이 생긴다. 그런데 자석을 코일에 접근시킨다는 것은 코일 내부의 '자기 마당'이 점차 강해진다는 것을 의미한다. 사실, 자석을 접근시키면 코일에 전류가 발생한다는 말은, '자기마당'이 변동하면 '전기 마당(전류)'이 발생한다는 뜻이다.
3-5. '전자기파'는 전기 마당과 자기 마당의 연쇄적인 발생
'제임스 맥스웰'은 전자기학을 이용해 빛의 정체를 알아내는 대발견을 했다. 그가 어떻게 이런 결론에 이르렀는지, 그의 생각을 따라가 보자.
자기 마당이 변하면 전기 마당이 변하고, 전기 마당이 변하면 자기 마당이 발생한다고 설명했다. 결국, 전기 마당과 자기 마당은 연쇄적으로 계속 발생된다. 멕스웰은 '변동하는 전류'를 계기로, 주위에 전기 마당과 자기 마당이 차례차례로 연쇄적으로 발생한다는 사실을 발견했다. 이것이 바로 '전자기파'이다. 변동하는 전류란 '교류 전류(일정한 시간에 크기와 방향이 변하는 전류)'나, 순간적으로 전류가 흘렀다가 곧 사라지는 방전 등을 말한다. 일정한 전류에서는 '전자기파'가 발생하지 않는다. 그리고 한 번 발생한 전자기파는 원래의 전류가 없어지더라도 계속 나아간다. '전기 마당의 고리'와 '자기 마당의 고리'는 90˚어긋나 있다. '전기 마당'과 '자기 마당', 그리고 '전자기파가 나아가는 방향'은 아래의 그림처럼 서로 직교한다.
3-5-1. 빛은 진공 속에서도 전해진다.
음파에서의 공기, 수면파에서의 물과 같은 파동을 전하는 물질을 '매질'이라고 한다. 마찬가지로 빛도 파동이므로, 매질이 있어야 할 것으로 느껴진다. 하지만 실제로는 진공 속에서도 빛은 잘 전해진다. 음파나 바다의 파도는 물질 자체의 진동이 전해져가는 현상이다. 하지만 '빛(전자기파)'는 물질의 진동이 아니라, 진공 속에서도 생길 수 있는 전기 마당과 자기 마당의 진공이다. 물질을 필요로 하지 않는 진동이므로, 진공 속에서도 전해질 수 있는 것이다.
19세기까지는 빛의 매질로 '에테르(Ether)'라는 미지의 물질이 존재한다고 생각했었다. 하지만 아무리 실험을 해도 에테르의 존재를 입증할 수가 없었다. 그래서 '아인슈타인'은 에테르의 존재를 부정하고, 그 견해를 토대로 하여 1905년에 '특수 상대성 이론'을 완성시켰다.
3-6. 전자기파는 에너지를 옮긴다.
금속선을 향해 전자기파가 다가오면, 전자기파가 지니고 있는 전기 마당의 방향과 크기에 따라 전자가 힘을 받아 전류가 흐른다. 전자기파가 통과하는 동안 전기 마당이 진동하므로, 전류의 방향과 크기도 진동하게 된다. 수면의 파동은 떠 있는 공을 진동시킨다. 수면의 파동이 에너지를 옮겨 공에게 운동 에너지를 주었기 때문이다. 마찬가지로 '전자기파'도 에너지를 옮겨 전자에게 '운동 에너지'를 줄 수 있다.
3-7. 전자기파는 전자를 움직이고 물체에 흡수된다.
전자기파는 '전기 마당'의 진동이므로, 전자기파가 오면 전자 등의 '전기를 띤 입자(하전 입자 = 전자, 양성자, 이온 등)'는 그 전기 마당에 의해 움직인다. 예컨대 전파기파는 금속선 안의 전자를 진동시킨다. 원자핵도 전기를 띠고 있지만, 원자핵의 양성자와 중성자는 전자보다 약 1836배 무거워 움직이기 어렵다. 그래서 전자가 흔드는 것은 주로 전자라고 생각해도 좋다.
- '마이크로파'나 '적외선'은 물질 속의 다양한 분자를 흔든다. 이것은 적외선이나 마이크로파가 분자 속의 전자에 작용해, 그 결과로 분자 전체가 흔들리기 때문이다. '분자의 움직임의 격렬함'은 '온도'이다. 마이크로파나 적외선을 쬔 물체가 따뜻해지는 것은 이렇게 해서 분자가 흔들리기 때문이다.
- 또 가시광선 눈의 망막 세포에 포함된 감광 색소의 분자 속에 있는 전자를 흔들어, 결과적으로 감광 색소의 분자를 바꾼다. 이것이 신호가 되어 시신경을 통해 뇌로 시각 정보가 전해진다.
- 자외선, X선, 감마선은 분자 속의 전자를 튕겨나가게 함으로써, 화학 결합을 파괴하거나 원자를 이온화한다. 예컨대, 이들이 DNA에 닿으면 DNA 분자 속에 있는 전자를 튕겨나가게 함으로써, DNA의 결합이 절단되는 상처가 생긴다.
전자기파가 물질에 끼치는 이러한 영향은 서로 다른 것 같지만, 본질적으로는 결국 모두 '하전 입자(전자, 양성자, 이온 등)'를 흔들고 있는 것이다. 물질의 '하전 입자'를 흔들고 난 '전자기파' 중 일부는 물질에 흡수되어 에너지가 물질에 인계된다.
4. 전자기파의 발생
4-1. 모든 물체는 온도에 따른 '빛(전자기파)'를 방출한다.
위에서 전자기파가 물체에 닿으면, 물체를 구성하는 분자가 흔들려 데워지는 현상 등이 나타난다고 설명했다. 그런데 그 반대의 과정도 존재한다. 즉, 모든 물체는 그 온도에 따른 파장의 '전자기파'를 방출하고 있는데, 이것을 '열복사(Thermal Radiation)'라고 한다. 그리고 일반적으로는 물체의 온도가 높을수록, 파장이 짧은 빛의 성분이 많이 복사된다.
예컨대, 적외선 난로는 히터에 전류가 흘러 고온이 되는데, 이때 눈에는 보이지 않지만 적외선을 강하게 방출하고 있다. 적외선 난로 같은 고온의 물체뿐만 아니라 우리의 몸도 적외선을 방출하고 있다. 물체가 방출하는 적외선을 감지해 온도가 눈에 보이도록 하는 '서포그래피(Thermography)'라는 장치로 보면, 그것을 잘 알 수 있다. 아래의 사진은 '서모그래피 영상'을 캡처한 것으로 , 빨간색 부분은 온도가 높은 부분이고, 파란색 부분은 온도가 낮은 부분이다.
4-2. 별의 색깔과 표면 온도
우주에는 태양과 같은 '항성' 등의 고온의 천체가 많이 있다. 항성은 '핵융합 반응'에 의해 스스로 빛나는 별을 말하는데, 항성의 표면에서는 가시광선이 열복사로 방출되고 있다. 항성의 색깔은 표면의 온도로 정해진다. 표면 온도가 3300 ℃ 정도인 별은 붉게 보이고, 6300℃ 정도인 별은 노란색으로 보이고 1만℃가 넘는 항성은 하얀색 또는 파란색으로 보인다. 표면 온도가 높을수록 파장이 짧은 빛이 많이 방출되기 때문에, 이런 색깔의 차이가 나타나는 것이다.
아래는 '물체의 온도'와 '주로 방출되는 전자기파의 영역'을 나타낸 것이다. 특히 X선 이상의 열복사는 블랙홀 등 우주의 고에너지 천체에서만 볼 수 있다.
| 전자기파 | 주로 방출되는 전자기파의 영역 |
| 라디오파 | -270 ℃ 정도의 극저온 |
| 적외선 | ~2000 ℃ 정도 |
| 가시광선 | ~1만 ℃ 정도 |
| 자외선 | ~수십 만 ℃ 정도 |
| X선 | ~10억 ℃ |
| 감마선 | 10억 ℃ 이상 |
4-3. 고온의 물질에 포함된 원자는 특유한 파장의 빛을 방출한다.
전자기파를 방출하는 메커니즘은 '열복사'뿐만이 아니다. 고온의 물질에 포함된 원자는 특유한 파장의 '빛(전자기파)'을 방출한다.
4-3-1. 불꽃 반응
'불꽃 반응'은 고온의 물질에 포함된 원자가 그 원소의 종류에 따라 서로 다른 파장의 전자기파를 방출하는 현상이다. 금속이 녹아있는 수용액을 불꽃 속에 넣으면, 그 속에 있는 이온은 그 원소 특유의 빛을 낸다. 그래서 불꽃 반응은 금속 원소를 구별하는 좋은 방법으로 이용된다. 예컨대 '리튬'은 빨간색, '나트륨'은 노란색, '칼륨'은 보라색 등을 방출한다. 그래서 불꽃놀이에 사용되는 불꽃의 붉은색은 '스트론튬'의 화합물, 노란색은 '나트륨'의 화합물 등으로 만들어진다. 요리 도중에 냄비가 끓어 넘칠 때 불꽃이 노란색이 되는 경우가 있다. 이것도 '소금(염화나트륨)'이 녹아 있는 냄비 속의 국물에 포함된 나트륨 이온이 '불꽃 반응'을 일으킬 때 내는 색깔이다.
그러면 불꽃 반응에서 서로 다른 파장의 전자기파를 방출하는 이유는 구체적으로 무엇일까? 사실 전자는 원자핵 주위에 있는 몇 개의 '전자 껍질'에 나누어져 들어가 있다. 전자는 이 전자 껍질 외에는 존재할 수 없다. 그리고 전자는 에너지를 얻거나 잃음으로써 전자 궤도를 이동할 수 있다. '불꽃 반응'에서는 우선 전자가 버너의 불꽃 등에서 열에너지를 받아, 바깥쪽의 다른 궤도로 튀어나간다. 튀어나간 뒤의 전자는 불안정한 상태이며, 원래의 궤도로 돌아가려고 한다. 그리고 돌아갈 때 에너지를 빛으로 방출하는데, 이것이 '불꽃 반응'이다. 방출된 빛이 가시광선이면, 불꽃의 색깔을 맨눈으로 볼 수 있다. 그리고 빛으로 방출되는 에너지의 크기는 원소에 따라 서로 다르므로, 방출된 빛의 파장을 살펴보면 어떤 원소가 들어 있는지 알 수 있다. 예컨대 태양 속에 어떤 원소가 들어있는지도 이 원리를 이용해 밝혀내고 있다.
| 원소 | 불꽃 반응 |
| 구리(Cu) | 초록색 |
| 나트륨(Na) | 노란색 |
| 칼륨(K) | 보라색 |
| 스트론튬(Sr) | 주홍색 |
| 바륨(Br) | 황록색 |
| 칼슘(Ca) | 주황색 |
| 리튬(Li) | 빨간색 |
4-3-2. 휘선 스펙트럼(Line Spectrum)
아래의 그림은 수소 가스를 약간 넣은 '방전관(가스를 채운 관 속에서 높은 전위차에 의한 플라스마 방전 현상을 유도하는 장치)'이 내는 빛을 색깔(파장) 별로 나눈 '휘선 스펙트럼(Line Spectrum)'이다. 방전관 안은 거의 진공으로 되어 있어, 전압을 걸면 빛이 난다. 태양의 스펙트럼은 연속적인 띠가 되지만 이 사진에는 몇 가지 색깔의 선밖에 포함되어 있지 않다. 이들은 방전관 안의 수소 원자가 내는 특유의 색깔의 빛이다.
4-4. 저온의 물질에 포함된 원자는 특유한 파장의 빛을 흡수한다.
한편, 저온의 물질에 포함된 원자는 특유의 파장의 '빛(전자기파)'을 흡수한다. 저온의 어떤 원소가 흡수하는 빛은 그 원소가 고온일 때 방출하는 빛과 똑같은 파장의 빛이다. 태양빛 스펙트럼을 보면, 여러 개의 '어두운 선(암선)'이 있는 것을 볼 수 있다. 이 암선들은 빛이 태양빛이 지표에 이르는 동안, 태양이나 지구의 대기에 포함된 원자에 흡수된 것이다. 따라서 태양 스펙트럼의 휘선과 암선을 분석하면, 태양에 어떤 원소가 존재하는지도 알아낼 수 있다. 태양뿐만 아니라 수 억 광년 떨어져 있는 천체라도 스펙트럼을 조사할 수만 있다면, 그 천체에 포함된 원소의 정보를 얻을 수 있다.
4-4-1. '분광'이라는 분석 수단을 어떻게 얻게 되었을까?
1815년 유리 기술자이자 물리학자였던 독일의 '프라운호퍼(Joseph von Fraunhofer, 1787~1826)'는 '프리즘으로 분해한 태양빛 안에서 신기한 것을 발견했다. 프리즘은 다양한 파장의 빛이 섞여 있는 빛을 파장별로 나누는 유리 장치이다. 파장별로 갈라진 태양빛은 무지개처럼 보라색에서 빨간색까지 차례로 늘어선다. 그 시대에는 그 이유는 잘 몰랐지만, 빛이 프리즘에 의해 갈라진다는 현상 자체는 널리 알려져 있었다. '프라운호퍼'가 발견한 신기한 것이란 빛이 '빠져서' 검게 보이는 '암선(흡수선)'이었다. 프라운 호퍼는 암선을 570가닥 이상 확인하고, 이를 정성 들여 기록했다. 하지만 당시의 지식으로는 왜 그 부분의 빛만 빠지는지 알 수가 없었다. 나중에서야 이것이 매우 중요한 발견이었다는 사실이 판명된다. 빠져나간 부분의 빛은 사실은 태양의 대기에 의해 흡수되었던 것이었다.
우주에는 다양한 물질이 존재하며, 각각의 물질은 빛을 흡수하거나 '복사(물체가 전자기파를 방출하는 현상)'한다. 어느 물질이 어느 파장의 빛을 흡수하거나 복사하는지는 지상에서의 실험에 의해 확인된다.
1960년 독일의 '구스타프 키르히호프(Gustav Kirchhoff, 1824~1887)'와 독일의 화학자 '로베르트 분젠(Robert Wilhelm von Bunsen, 1811~1899)'은 나트륨이 흡수·복사하는 빛의 파장이, 프라운호퍼가 발견한 암선의 파장과 일치한다는 점을 깨달았다. 태양 표면에서 나온 빛이 지구에 도달하기 전에, 태양 대기 중의 나트륨에 의해 일부가 흡수되고 있었다. 태양의 대기에 나트륨이 포함되어 있다는 사실을 알게 된 것이다. 카르히호프 등은 태양 안에서 30개의 원소를 확인했다.
이로써 인류는 항성이나 은하 등이 어떤 물질로 이루어져 있는지를 알아내는 '분광(spectrum)'이라는 분석 수단을 얻게 되었다. 그 뒤, 분광을 통해 얻은 결과는 항성을 구성하는 물질이나 그 상태, 또는 항성이 어떠한 메커니즘으로 빛나고 있는가 등을 생각하는 '천체 물리학'의 기초가 되었다. 현재는 태양이 수소 원자 4개가 결합해 헬륨으로 변하는 '핵융합'에 의해 빛난다는 사실을 알고 있다.
4-5. 전자가 움직이면 전자기파(빛)가 발생한다.
모든 물체는 전자기파를 방출하고 있고, 일반적으로 물체의 온도가 높을수록 파장이 짧은 빛의 성분을 많이 방출한다고 설명했다. (열복사) 그러면, 열복사의 원인은 무엇일까? 원자나 분자는 열에 의해 회전하거나 진동하고 있다. 결국, 열에 의해 전자 등의 '하전입자'가 움직이면 전자기파가 발생하는 것이다.
4-6. 전자가 아래의 궤도로 바꿔탈 때, 전자기파가 발생
'불꽃 반응'에서 '원소는 그 종류에 따라 특유한 색깔의 빛을 방출 및 흡수한다고 설명했다. 그런데 그 원리는 뭘까?
원자 안의 원자핵은 양전기, 전자는 음전기이므로 전자는 원자핵으로부터 전기적인 인력을 받는다. 그래서 원자핵에서 멀리 떨어진 궤도에 있는 전자일수록 에너지가 크다. 그런데 전자가 원자 안에서 아래의 궤도로 바꿔타면 전자의 에너지가 감소하여, 그 감소분의 에너지가 방출된다. 이 에너지의 방출이 바로 '전자기파'이다. 반대로 전자가 전가기파를 흡수하여 에너지가 증가하면, 전자가 위의 궤도로 바꿔탄다. 그리고 원소가 다르면, 원자핵이 지니는 전하의 양이 달라지고 전자에 작용하는 전기적인 인력의 크기 등도 달라진다.그러면 전자가 궤도를 바꿔탈 때 에너지의 변화량도 원소에 따라 달라진다. 그래서 원소의 종류에 따라 방출 및 흡수되는 전자기파의 에너지가 바뀐다. 전자기파의 파장은 에너지에 의해 정해지므로, 원소는 그 종류에 따라 특유한 파장의 전자기파를 방출 및 흡수한다.
4-6-1. 오로라(Aurora)
원소가 내는 특유한 색깔의 빛 때문에 만들어지는 현상 중에는 '오로라(Aurora)'가 있다. '오로라'는 극지방에서 볼 수 있는 발광 현상이다. 오로라의 메커니즘은 다음과 같다.
태양은 가스를 우주 공간으로 방출하고 있다. 이 가스는 전자나 양성자 등의 하전 입자로 이루어지는 플라스마로 '태양풍'이라고 한다. 태양풍의 입자는 지구 자기의 힘을 받아 극지방으로 옮겨지는데, 극지방의 대기에서 질소나 산소 등의 원자 및 분자와 충돌한다. 그러면 원자 및 분자의 전자는 에너지를 받아 높은 궤도로 갈아타게 된다. 대기의 원자 및 분자가 흥분 상태(들뜬 상태)가 되는 것이다. 하지만 높은 에너지 궤도에 있는 전자는 다시 아래의 궤도로 바꿔타고, 원래의 상태인 '바닥 상태'로 되돌아간다. 이때 궤도의 에너지 차에 해당하는 에너지를 가진 '전자기파'가 방출되는데, 이것이 바로 '오로라(aurora)'다. 오로라는 발생의 원인이 되는 원자 및 분자의 종류에 따라 빨간색이나 초록색 등으로 빛난다.
4-6-2. 형광등
형광등도 오로라와 비슷한 원리로 가시광선을 방출한다. 형광등 내부는 진공에 가까운데, 전압을 걸면 전극에서 고속의 전자가 튀어나온다. 전자가 유리관 안에 봉인되어 있는 수은 원자와 충돌하면, 원자가 흥분 상태가 된다. 수은 원자는 그 후 자외선을 방출한다.
형광등의 내벽에는 '형광 도료'가 칠해져 있다. '혈광 도료' 속 분자는 자외선을 흡수하여 흥분상태가 되지만, 곧 빛을 방출하는 것은 아니다. 그 사이에 흥분 상태의 분자는 열 진동하는 주위의 분자와 충돌해 에너지를 일부 빼앗겨, 형광등이 뜨거워진다. 에너지를 잃은 분자의 전자는 아래 궤도로 바꿔타고, 거기에서 더욱 아래의 층으로 전자가 바꿔탈 때 가시광선이 방출된다. 이처럼 흡수한 전자기파보다 에너지가 낮은 전자기파를 방출되는 현상에서 방출된 전자기파를 '형광'이라고 한다. (형광등에서는 자외선을 흡수하고 가시광선을 방출함)
5. 투명과 불투명
5-1. 물질의 투명과 불투명
5-1-1. 물질이 분자의 고유 진동수에 해당하는 전자기파를 받으면 공명한다.
물체는 흔들리기 쉬운 진동수를 가지고 있는데, 이를 '고유 진동수(Natural Frequency)'라고 한다. 예컨대 현악기나 방울 등이 특정한 음으로 소리를 내는 것은 정해진 고유의 진동수로 진동하기 때문이다. 물체에 고유 진동수와 같은 진동수를 가지는 파동이 닿으면, 물체가 고유 진동수로 진동하기 시작한다. 이를 '공명(Resonance)'이라고 한다.
'소리 굽쇠(Tuning Fork)'는 두드리면 일정한 진동수의 소리가 나도록 만든 U자 모양의 쇠막대로, 일정한 진동수의 소리를 만드는 간단한 실험 장치로 쓰인다. 두 개의 소리 굽쇠를 떼어놓고 왼쪽의 소리 굽쇠를 두들겨 진동시키면, 소리 굽쇠의 고유 진동수와 같은 '음파'가 발생한다. 그러면 오른쪽 소리 굽쇠는 음파에 공명해 음파의 에너지를 일부 받아, 왼쪽 소리 굽쇠와 같은 진동수로 흔들리기 시작한다.
5-1-2. 가시광선은 유리의 분자를 공명시키지 않고 그대로 통과한다.
유리의 분자(전자)에도 둘 이상의 고유 진동수가 있는데, 그들 진동수는 전자기파에서는 원적외선과 자외선의 영역에 해당한다. 그래서 원적외선 또는 자외선이 입사하면 분자는 공명을 이으켜, 원적외선 또는 자외선을 흡수하고 진동을 시작한다. 공명을 일으킨 분자의 진동은 잠시 계속된다. 그리고 그 사이에 진동하는 분자는 주위의 분자와 부딪치는 등 에너지를 주위에 넘기고 진동이 진정된다. 이 경우, 빛의 방출은 일어나지 않는다. 즉, 원적외선이나 자외선은 유리 분자에 완전히 흡수되어, 그 에너지는 열이 되어 유리의 온도를 높이는 것이다.
반면, 가시광선은 유리의 분자를 공명시키지 않으므로, 유리에 '흡수'된 빛은 순식간에 '재방출'된다. 유리를 통과할 때, 사실 가시광선도 순간적으로 '흡수'되긴 하지만 '완전한 흡수'가 되는 원적외선 또는 자외선과는 다르다. 이러한 이유로 유리는 '가시광선'에 대해서만 투명하고, '원적외선'이나 '자외선'에 대해서는 상당히 불투명한 것이다. 이처럼 어떤 물질이 투명한지 투명하는 물질의 '고유 진동수'에 의해 정해진다.
5-1-3. 물질 속에서 빛이 느려지는 이유
물질 속에서는 진공 속에서보다 '전자기파(빛)'의 속도가 느려진다. 예컨대 유리 속에서의 광속은 진공 속에서의 50~70% 정도이다. 이는 위에서 설명했듯이, 순간적으로 가시광선을 '흡수'했다가 '재방출'하는 과정이 유리 속 분자에서 일어나고 있기 때문이다. 이 과정이 유리 안에서 반복되고 있기 때문에 빛의 속도가 느려진다.
5-2. 대기의 투명과 불투명
대기는 가시광선과 적외선의 일부 영역에 대해서는 거의 투명하지만, 이외의 파장에 대해서는 거의 불투명하다. 우주에서는 가시광선 이외에도 모든 파장 영역의 전자기파가 지구로 쏟아지고 있다. 하지만 대기는 전자기파의 여러 파장 영역에 대해 불투명하므로, 많은 파장이 지표에 이르지 못한다. 물질이 불투명해지는 원인에는 위에서 소개한 '흡수' 이외에도 '산란', '반사'도 있다.
5-2-1. 파장별 대기의 투명성광 불투명성
- 파장 수십 m 이상의 전자기파: 우주에서 오는 파장 수십 m 이상의 전자기파는 '전리층(고도 60~500km 부근)'에서 반사되서 지상에 이르지 않는다. 그 이하의 파장의 전자기파는 거의 대기를 투과한다.
- 적외선: 일부 적외선은 대기를 투과하지만 대부분은 물이나 이산화탄소 분자에 흡수, 산란된다.
- 가시광선: 대기 투과한다.
- 자외선: 대부분 오존층의 '오존(O₃)'에 흡수되어 열에너지로 전환된다. (오존층은 고도 10~50km 부근)
- X선: 질소나 산소 등의 분자에 흡수되어 지상에 거의 이르지 않는다.
- 감마선: 질소나 산소 등의 분자에 흡수되어 지상에 거의 이르지 않는다.
5-2-2. 가시광선에 대해 투명한 대기가 진화에 영향을 미쳤다.
전자기파는 파장이 10억 분의 1mm의 파장부터 파장이 몇 km 이상인 파장까지 그 폭이 매우 넓다. 한편, 가시광선의 파장 영역은 400~800nm 정도이다. 인간의 눈이 감지할 수 있는 전자기파의 영역은 매우 한정적인 범위인 것이다.
그러면 인간의 눈은 왜 가시광선을 감지할 수 있게 되었을까? 그 이유는 대기가 가시광선에 대해 투명하기 때문이다. 지표에는 가시광선이 대량으로 쏟아지고 있지만, 그 밖의 여러 전자기파는 대기에 의해 차단된다. 그래서 가시광선에 해당하는 파장 영역을 감지하는 능력이 진화의 과정에 유리하게 작용한 것으로 보인다.
6. 광자(Photon)
6-1. 광전 효과
빛은 파동이지만, 빛을 단순히 파동이라고 생각하면 설명이 되지 않는 현상들도 있다. 그중 하나가 바로 '광전 효과'이다. '광전 효과(photoelectric effect)'란 금속에 '빛(전자기파)'를 쬐면 빛의 에너지를 받은 전자가 금속에서 튀어나오는 현상이다. 광전효과에서는 다음과 같은 신비한 성질이 나타난다.
파장이 긴 빛은 아무리 강한 빛(밝은 빛)에서도 전자가 튀어나오지 않지만, 파장이 짧은 빛은 약한 빛에서도 전자가 튀어나온다. 빛이 강하다(밝다)는 것은 전자기파의 진폭이 크다는 것으로, '전기 마당'의 푸른색 화살표가 길기 때문에 금속 중의 전자를 크게 움직이는 것이다. 반대로 빛이 약하다는 전자기파의 진폭이 작다는 것으로, '전기 마당'의 푸른색 화살표가 짧아 전자가 별로 움직이지 않는다는 것이다. 하지만 광전 효과에서는 파장이 짧으면 약한 빛으로도 전자가 크게 움직여 금속 안에서 튀어나오므로, 빛을 단순한 파동으로 생각해서는 설명이 되지 않는다.
6-2. 아인슈타인의 광양자 가설
이 어려운 문제에 대해 답을 찾아낸 사람이 바로 '알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)'이다. 아인슈타인은 전자기파가 '에너지의 덩어리'로 나아간다고 생각했다. 전자기파에는 더 이상 나눌 수 없는 '에너지의 최소 단위'가 있는데, 이것을 '광자(photon)' 또는 '광양자'라고 한다. 광자로 생각할 경우, 빛이 강하다(밝다)는 것은 광자의 수가 많은 것을 의미한다. 일반적으로 전자 하나와 부딪치는 것은 광자 하나이다. 그래서 파장이 아무리 긴 빛은 광자의 수를 많게 해도 광자 하나가 가지는 에너지가 작으므로, 전자를 금속 안에서 밖으로 튀어나오게 할 수 없다. 반면, 파장이 짧은 빛의 광자는 에너지가 크므로 전자를 튕겨나가게 할 수 있다.
6-2-1. 콤프턴 효과(Compton Effect)
X선을 금속에 쬐면, 반사되어 온 X선의 파장이 길어지는(에너지가 작아지는) 현상이 있는데, 이것을 '콤프턴 효과(Compton Effect)'라고 한다. X선을 광자로 생각하면, '콤프턴 효과' 또한 설명할 수 있다. X선의 광자가 금속 중의 전자와 충돌해, 당구공처럼 전자를 튕겨 날아가게 한다고 생각해 보자. 이 충돌에 의해 전자는 운동 에너지를 얻게 됨으로, X선에 있는 광자의 에너지는 그만큼 줄어든다. 그래서 X선의 광자가 파장이 길어진다.
6-3. 빛의 압력
빛에 쪼인 물체는 빛에게 압력을 받는다. 물질 중에 존재하는 전자 등의 '하전 입자'는 빛의 전기 마당과 자기 마당에서 힘을 얻게 된다. 이들이 겹쳐 쌓이면서 압력을 받는다. 이것 또한 빛을 '광자'로 생각하면, 직관적으로 이해하기 쉽다. 물체에 무수히 많은 '광자'가 부딪치므로 물체는 압력을 받는다고 생각하면 좋다. 물론, 광자에는 질량이 없다. 하지만 질량이 없어도 광자의 전기 마당과 자기 마당으로 물질은 '로렌츠 힘'을 받아 압력을 받는다.
빛의 압력은 극히 약하므로, 일상생활에서는 체감할 수 없다. 하지만 공기 저항이 없는 우주에서는 일단 한번 움직이기 시작한 것은 멈추지 않는다. 그래서 근소한 빛의 압력이 현저하게 나타나는 경우가 많이 있다. 예컨대, '혜성(태양계의 소천체 중 하나로, 태양과 가까워지면 가스로 된 머리와 꼬리가 나타남)'의 꼬리는 태양과는 반대쪽으로 길게 뻗는데, 이는 혜성의 핵에서 분출한 가스나 먼지가 태양빛의 압력이나 '태양풍(전자나 양성자의 흐름)'을 받기 때문이다.
6-3-1. 태양돛(Solar Sail)
빛의 압력을 이용하는 우주 탐사선의 계획도 있다. '태양돛(Solar sail)'은 탐사선에 돛을 달아 태양빛의 압력으로 요트처럼 추진하는 '우주 범선'이다. 연료를 줄일 수 있으므로, 목성보다 먼 우주 탐사용으로 기대되고 있다. '태양돛(Solar Sail)'의 시험 비행에 성공하면 우주 어디서든 항성의 빛을 무제한 확보할 수 있다는 점에서 연료 걱정 없이 성간 우주여행을 할 수 있게 된다. 아직은 기초 실험 단계이지만, 미국과 일본 등에서 실험이 이루어지고 있다.
'일본 우주항공연구개발기구(JAXA)'는 2010년 첫 솔라 세일 우주선 '이카로스(Ikaros)'를 발사해 금성까지 보냈지만, 방향을 조정할 수 없어 2015년 연락이 끊기며 우주 미아가 되었다. 2019년 7월에는 미국의 비영리단체 '행성 협회(The Planetary Society)'의 '라이트세일 2호(LightSail 2)'가 지구 궤도에서 돛을 펼쳤다. 라이트세일 2호는 '스페이스 X(Space X)'의 로켓 '팰컨 헤비(Falcon Heavy)'에 실려 발사되었다. 또 NASA에서도 '태양돛' 기술을 자체 시험 중이며, 2020년대 초에 지구에 근접한 소행성을 탐사할 '큐브샛(CubeSat 가로, 세로, 높이가 각각 10cm쯤인 초소형 인공위성)'에 솔라세일을 적용하는 방안을 추진중이다.