Thinking Physics - 빛

출처 : Thinking Physics -  Lewis Epstein, Paul Hewitt

정답은 드래그 하면 보임.

---

하늘이 푸른 이유는 공기 중의 분자들이 어떤 역할을 하기 때문일까?

a) 푸른빛을 주로 반사하는 작은 거울 역할

b) 푸른빛을 주로 반사하는 프리즘 역할

c) 높은 진동수의 빛은 반사하고 낮은 진동수의 빛을 흡수하는 렌즈 역할

d) 가시광선의 높은 주파수를 산란시키는 공명자(resonator) 역할

정답 : (d) 

 입사파와 산란매체의 진동수가 같을 때 진동이 최대로 일어나 공명하게 된다. 진동수가 일치하지 않을 때도 진동이 강제로 일어나지만 공명의 경우만큼 강하지는 않다. 산란매체의 진동수와 입사파의 진동수가 비슷할수록 더 많은 진동과 산란(scattering)이 일어난다.

 대기의 대부분을 차지하는 질소와 산소 분자는 전자기파 스펙트럼 중 자외선의 고유진동수를 가진 매우작은 공명자이다. 태양으로부터 오는 자외선은 대기의 질소와 산소에 의해 산란된다. 물론 대부분의 자외선은 성층권의 오촌층에 의해 흡수된 후에 일이다. 보라빛은 분자 공명을 일으키기에는 진동수가 낮지만 강제성 진동과 보라빛 산란을 일으키기에는 충분할 정도의 진동수를 갖는다. 진동수가 낮을수록 산란은 덜 일어난다. 따라서 태양빛 중 보라와 푸른빛은 대부분 산란된다. 비록 보라빛이 푸른빛보다 더 많이 산란되지만 사람의 눈은 보라보다는 푸른빛에 훨씬 더 민감하므로 우리가 보는 합성색은 푸른 하늘색으로 나타난다. 

 재밌는 사실은 공기 중에 질소나 산소 분자보다 훨씬 더 큰 수많은 먼지나 입자로 들어차 있을 때 더 낮은 진동수의 빛이 더 많이 산란되어 하늘은 덜 푸르게 보이고 더 희끄무레한 색으로 물들게 된다는 것이다. 반면에 심한 폭풍우 뒤에는 입자들이 씻겨나가므로 하늘은 짙은 푸른색으로 변한다. 

 

---

두 개의 어두운 산을 보고 있는데, 하나가 다른 것보다 더 멀리 떨어져 있다. 더 어둡게 보이는 산은?

a) 가까이 있는 산

b) 멀리 있는 산

c) 똑같다

정답 : (a) 

 산을 바라볼 때, 눈에 보이는 대부분의 빛은 관측자와 산 사이에 있는 공기로부터 온다. 공기는 높은 하늘에서 빛을 산란시키고 그 빛의 일부가 관측자의 눈에 들어오게 된다. 관측자와 가까운 산 사이보다는 먼 산 사이에 더 많은 공기가 있고, 그것은 관측자에게 오는 산란된 빛이 더 많다는 뜻이다. 관측자와 산 사이의 대기가 푸른빛을 산란하기 때문에 먼 산이 더 푸르게 보이는 것이다. 비슷한 원리로 하늘은 수평선을 향하여 볼 때 더 밝고 똑바로 위로 쳐다볼 때 더 어둡게 보인다(위 방향으로는 공기의 양이 적으므로).

---

두 광선이 서로 상쇄해서 어두워질 수 있을까?

a) 없다. 에너지 보존법칙에 위배되기 때문에 빛은 어둠을 만들 수 없다.

b) 있다. 빛은 서로 중첩될 수 있고 사라질 수 있는 여러 방법이 있다.

정답 : (b) 

 빛은 파동이고, 파동은 서로 간섭해 보강할 수도 상쇄할 수도 있다. 한 파동의 마루가 다른 수면파의 골과 겹치는 곳에서 서로 상쇄되는 현상이 일어난다(음파 등 어떤 종류의 파도 같은 현상을 가진다). 이 말은 다소 에너지 보존법칙에 위배되는 것처럼 들린다. 빛이 서로 소멸했다면 에너지는 어디로 갔을까? 어느 한 장소에서 빛이 서로 상쇄되면, 보통 아주 근접한 다른 장소에서 빛이 서로 보강되는 곳이 나타나며, 소멸된 장소에서 사라진 모든 에너지가 보강되는 곳에서 나타난다는 것이 판명되었다. 이것 역시 모든 종류의 파동에 대해서 성립한다.    

---

만약 붉은빛의 광선이 둥근 물방울에 비치면 

 

a) 똑같은 양의 붉은빛이 물방울로부터 모든 방향으로 나올 것이다.

b) 모든 붉은 빛이 한 방향으로 나올 것이다.

c) 붉은빛의 일부는 모든 방향으로 나오지만, 어느 특정 방향으로는 더 많이 나올 것이다.

d) 대부분의 빛은 물방울을 통과하여 직진하며 전혀 휘어지지 않는다.

정답 : (c) 

 물방울로 입사한 대부분의 빛은 물방울에 들어간 후 뒷면에서 다시 한번 반사된다. 반사된 빛은 빛이 입사했던 물방울의 정면으로 나오게 된다. 즉 물방울에 거의 수직으로 입사한 빛들만 물방울 반대쪽으로 나오게 되며, 나머지 빛들은 물방울 정면 방향으로 나오게 된다. 이러한 현상은 무지개를 만들게 한다. 특정한 한 방향으로 나오는 빛의 집중이 무지개를 만드는 것을 가능케 해준다.