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빛의 직진·반사·굴절

빛은 파동의 일종이지만, 파장이 매우 짧기 때문에 일상 생활 속에서 빛이 파동이라는 것을 나타내는 현상을 경험하기는 쉽지 않다. 학문적으로도 빛이 파동이라는 것을 알게 된 것은 19세기에 이르러서였다. 이것보다 먼저 뉴턴은 빛을 입자로 생각해서 빛이 나아가는 방법을 설명하였다. 여기에서는 빛이 파동인 것을 생각하지 않고 빛이 나아가는 방법을 조사해 보기로 한다. 이와 같은 연구 분야를 '기하 광학'이라고 한다.

빛의 직진

光－直進 빛의 진로를 직접 눈으로 볼 수 있게 하려면 진로에 연기나 먼지와 같이 빛을 산란시키는 미립자를 부유시키면 된다. 덧문의 틈으로 새어 나오는 빛을 보면 실내의 먼지 때문에 산란되어 마치 직선과 같이 전진하는 것을 볼 수 있다. 안개 속을 달리는 자동차의 헤드라이트를 보아도 이런 것을 알 수 있을 것이다. 덧문의 틈으로 새어 나오는 가는 빛은 기하학의 선이라고 생각할 수가 있다. 이것을 광선이라고 한다. 빛의 굵기를 생각할 필요가 있을 때에는 광선의 다발이라는 뜻에서 광속이라고 한다. 빛의 직진은 다음과 같은 것으로도 확인할 수가 있다.

빛의 반사

光－反射 빛이 광학적 성질이 달라지게 되는 경계면에 도달하면 반사와 굴절이 동시에 일어난다. 경계면이 금속인 경우에는 굴절 광선은 약하고 거의 흡수되지만 반사 광선은 강하다. 경계면이 투명체인 경우에는 반사 광선이 약하고 대부분은 굴절 광선이 된다. 우선 빛의 반사부터 생각해 보자.

반사의 법칙

反射－法則 평면 거울에 광선을 입사시켜서 빛이 진행하는 방법을 조사해 보면, 광선이 거울면에서 앞의 그림과 같이 반사해 나가는 것을 알 수 있다. 이것으로 입사 광선과 입사점 O에서 반사면에 수직으로 세운 법선, 반사 광선은 같은 평면상에 있고, 입사광선과 법선이 이루는 각 α와 반사 광선과 법선이 이루는 각 β는 같다는 것을 알 수 있다. 이것을 종합하면, (1) 빛이 입사하는 점에서 반사면에 세운 법선 입사 광선·반사 광선은 같은 평면 안에 있다. (2) 입사 광선과 법선이 이루는 입사각 α와 반사 광선과 법선이 이루는 반사각 P는 같다. 이것을 '반사의 법칙'이라고 한다.

굴절 현상의 응용

섬유 광학

纖維光學 빛을 유리 막대의 끝면으로부터 입사시키면 측면에의 입사각이 임계각보다도 클 때에는 몇 번씩 전반사를 되풀이해서 빛의 강도를 떨어뜨리는 일 없이 다른쪽 끝으로 나온다. 한편, 빛의 파장은 짧기 때문에 유리 막대의 지름을 작게 할 수가 있다. 지름 0.lmm 이하가 되어도 광학적으로는 충분하다. 지름을 작게 하면 기계적으로는 간단히 구부릴 수가 있게 된다. 이와 같이 자유롭게 구부릴 수 있는 가는 유리를 유리 섬유라고 한다. 이제, 유리 섬유를 많이 묶은 다음 양끝을 평면이 되게 자른다. 이 면 위에 상을 결상시키면, 유리 섬유의 한개 한개가 상을 이루는 각점의 강도를 그대로 다른쪽 끝에 전하므로, 상 전체는 다른쪽 끝에 전달된다. 양끝의 유리 섬유의 각 위치가 정확히 대응하게 배열하려면, 긴 유리 섬유를 말아서 두 점으로 고정하고, 그 중간에서 자르면 된다. 또, 유리 섬유가 구부러짐이 큰 곳에서 접하면, 그 점에서는 전반사가 일어나지 않고 빛이 달아나는 경우가 있다. 이것을 피하기 위해서는 유리 섬유의 바깥쪽에 굴절률이 작은 유리를 얇게 덮어서, 유리 사이에서 전반사가 일어날 수 있게 하면 된다.