논술.면접 따라잡기(빛의 성질)

빛의 파동적 성질과 입자적 성질을 설명하고, 신기루 현상에 대하여 간단히 설명하시오.

뉴턴은 입자성을 주장한 대표적인 과학자로 빛과 관련해 많은 연구를 했다.

그는 프리즘에 의해서 빛이 여러 가지 색으로 나누어지는 것을 보고 무지개의 원리를 알아내었고, 물체가 색을 띠게 되는 것이 자신의 고유한 색을 다른 색보다 더 많이 반사하기 때문이라 했다

특히 두 개의 프리즘으로 햇빛이 일곱 가지 색으로 구성되어 있다고 주장했다.

이러한 빛의 여러 성질을 종합해, 빛은 미세한 입자로 구성되었고 그것은 발광체에서 입자 형식으로 복사된다는 이론을 피력하면서 이를 입자설이라고 하였다.

입자설은 그 당시에 밝혀진 빛의 굴절, 반사, 직진 등과 같은 빛의 현상들을 대부분 설명할 수 있었지만, 복굴절과 같은 현상을 설명하지 못하는 등 몇 가지 모순이 점차 나타났다.

이를 해결하고자 파동설이 나타났다.

그리말디가 처음으로 파동설을 제창하고, 호이겐스가 반사.굴절.복굴절을 파동으로 설명했다.

영은 유명한 '영의 간섭 실험'을 통해 빛의 파동성을 주장했다.

그 후 프레넬이 빛의 회절 현상을 파동으로 완벽하게 설명하였다.

그러다가 1850년 프랑스의 물리학자 푸코가 빛의 속도를 측정하면서 물 속에서의 빛의 속력이 느려진다는 것을 통해 파동설이 옳음을 증명하였다.

그후 맥스웰이 빛이 전자기파의 일종으로 반사, 굴절, 편광 등에서 전파와 같이 행동한다고 하였고, 이후 헤르츠가 증명함으로써 결국 빛은 파동이라는 결론에 도달하게 되었다.

그러나 20세기에 들어서면서 아인슈타인이 광양자설로 다시 빛의 입자설을 학계에 발표함으로써 이러한 모순을 해결하기 위해 빛은 진행할 때는 파동으로, 물질과 상호 작용할 때는 입자로 나타나는 존재, 즉 이중성을 지닌 것이라는 결론에 도달하였다.

빛이 입자라는 것을 증명하는 실험으로는 주로 에너지적인 측면에서 빛의 양자 에너지식, 광전 효과, 콤프턴 효과를 들 수 있다.

반면 빛이 파동이라는 증명은 빛의 전파와 관련된 사항으로서 반사, 굴절, 회절, 간섭 그리고 편광 현상을 들 수 있다.

간단히 말해서 빛의 에너지적 측면을 보면 분명히 입자 같은데 빛의 전파 과정 측면을 보면 분명히 파동인 것이다.

▲아스팔트 위의 신기루

여름철 수영장에 들어서면 자신의 다리가 짧아 보이는 것을 경험한 적이 있을 것이다

사실은 다리의 길이가 변한 것이 아니라 다리를 보게 하는 빛이 물 속을 통과하면서 생긴 일이다.

또 물 속에 놓여진 동전은 실제 깊이보다 수면에 더 가까이 있는 것처럼 보인다.

빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 꺾이는 것을 굴절이라고 한다.

또 같은 매질이라도 온도가 달라 밀도가 변하면 빛의 진행 방향이 꺾인다.

굴절의 원인은 매질마다 빛의 속도가 다르기 때문이다.

진공 중에서 빛의 속도는 초당 30만km이지만 다른 매질 속에서는 이보다 느려진다.

어떤 경우에는 대기에 의한 굴절 현상이 현저하게 나타나기도 하는데 이를 신기루라고 한다.

무더운 날 지면 근처의 공기는 뜨겁게 달아오른다.

더운 공기의 분자들은 서로 멀리 떨어져 있기 때문에 빛은 지면 근처의 공기를 통과할 때 상층부에서보다 빠르게 진행한다.

지면에 가까울수록 빛의 속도가 빨라지기 때문에 광선은 점차 위쪽으로 휘어진다.

이런 현상은 뜨거운 아스팔트 위를 걸을 때나 운전할 때 경험할 수 있다.

땅바닥에 물이 얇게 고여 있는 곳에 하늘과 자동차, 나무들이 마치 반사되는 것처럼 보인다.

하지만 이것은 하늘에서 온 빛이 뜨거운 공기층을 통과하면서 굴절된 것이다.

▲빛의 파동설과 입자설에 대해 아는대로 말해 보시오. (2001, 서강대 자연과학부)

▲빛의 파동성을 설명할 수 있는 현상들의 예를 들어 보시오. (2002, 서울대 자연과학대학)

▲광전 효과를 설명하기 위해서는 빛이 파동이 아니라 입자성을 가져야 한다는 결론에 이르게 되는 이유를 간단히 설명하시오. (2002, 서울대 자연과학대학)

▲빛의 입자성을 증명할 수 있는 실험을 설계해 보시오. (2002, 부산대 사범대학)

▲빛의 특성에 대해 말해 보시오. (2002, 중앙대 자연과학대학)