빛

빛의 성질

호이겐스 원리

1. 파면의 전파(Propagation) 법칙

 

바다에서 파도가 밀려오는 것을 관찰해보면 파의 높은 부분, 즉 마루를 이루는 곡선이 그 형태를 조금씩 바꾸면서 움직이는 것을 알 수 있다. 파동의 마루를 이어준 곡선 혹은 곡면을 파면이라 한다.

이 파면이 시간에 따라 그 다음 파면을 형성하는 원리는 17세기 호이겐스에 의해 발견되었다.

 

호이겐스는 빛을 파동으로 보고 빛이 굴절이나 반사의 법칙을 설명하였으며 "파면의 각 지점들이 구면파를 발생시키는 파원이 되고, 무수히 많이 생기는 이 구면파가 겹쳐서 만드는 그 포락선이 그 다음 파면을 형성한다"고 주장하였다.

호이겐스 원리에 의한 구면파의 전파

2. 프레넬-키르히호프의 수정 원리

호이겐스 원리는 임의의 모양 파면이 그 다음 파면을 형성하는 형태를 추측하거나, 파의 진행속도가 다른 지역으로 들어갈 때 굴절하는 형태와 파동의 회절을 설명하는데 좋은 수단을 제공하기는 하지만 점파원은 사방으로 동일한 세기의 파동을 만들므로 파면의 진행방향에 반대되는 방향으로도 파동이 생겨나야 하는 부분을 설명할 수 없다는 문제점을 가지고 있어서 프레넬과 키르히호프는 파동방정식을 이용하여 더 정확한 방법으로 이 호이겐스 원리를 검증하고 이를 수정하였다.

파면이 형성하는 파원은 구면파를 만들어 내기는 하지만 파가 진행하는 방향으로 가장 강하고 그 반대 방향으로는 진폭이 0인 파동을 만들어낸다.

 

3. 굴절의 법칙

파동이 다른 매질 속으로 들어가서 속도가 달라지면 진행방향이 변하게 된다. 이는 호이겐스 원리에 의해 파면에 생성된 구면파가 매질 속에서 속도가 달라져 구면파들이 만드는 포락선 방향이 꺾어지기 때문이다. 

스넬의 법칙

파면에 수직한 방향으로 진행하다가 파의 진행속도가 달라진 매질 속으로 진입하고 있다. 

그림에 있는 식을 스넬의 법칙이라 하며, 굴절이 일어나는 정도가 두 매질의 굴절률 비에만 의존하고 각 굴절률에는 무관하다는 것을 말해주고 있다. 이를 상대굴절률이라 한다.

 

4. 광선

빛 역시 파동이므로 넓은 범위에 퍼져 있는 파면이 앞에서 설명한 호이겐스 원리에 의하여 전파되는 것이다. 그러나 우리가 일상생활에서 보는 빛은 줄기를 가지고 진행하는 듯이 보인다. 아침 햇살이 나뭇가지 사이로 비출 때 그 빛은 직선으로 된 가닥을 따라 진행하는 것처럼 보이고 플래시를 비추면 어둠 속으로 빛의 선이 그어지는 것처럼 보이는 것에서 광선의 개념을 알 수 있다. 특히 레이저인 경우 그 빛줄기가 가늘어서 마치 단 하나의 광선이 있는 것으로 생각할 수 있다. 

이처럼 파동에 대하여 파면이 나아가는 방향을 정의할 수 있듯이 모든 종류의 파동에 대해서도 이같은 광선의 개념을 도입할 수 있다. 특히 빛일 경우에는 그 빛의 진로에 놓여 있는 물체 규모에 비하여 파장이 월등히 짧아서 회절 효과가 거의 나타나지 않을 때는 이 광선의 개념을 유용하게 쓸 수 있다.

구름사이 빛줄기

그러나 파장이 긴 전파, 음파와 같은 경우에는 회절 효과가 커져서 이런 "광선" 개념을 거의 사용하지 않는다. 빛일 때도 회절이 나타나는 조건에서는 이를 적용하기 곤란하므로 광선은 근사적인 개념이라고 할 수 있다. 빛의 파동은 다른 파동과 마찬가지로 에너지를 전달하는 방향이 바로 광선 방향이다.

이는 우리가 햇살이 비칠 때 밝음이나 따뜻함이 그 빛살을 따라서 전달되는 듯한 느낌을 갖는 것으로 추측해 볼 수 있다. 이 에너지는 파면에 수직한 방향으로 흐르게 된다.

 

호이겐스의 원리로부터 파동으로 빛의 전파를 이해하는 것보다 이 광선의 진행 형태를 이해하고 빛이 전파되는 것을 이해하는 것이 편리한 경우가 많다. 이런 관점에서 렌즈, 거울 등에서 빛의 반사와 굴절을 다루어 이를 응용한 기기를 이해하는 분야를 기하광학이라 한다.