무지개의 원리

1. 무지개

데카르트는 무지개를 이해하기 위하여 물방울에 입사하는 수천 개의 광선을 작도로 추적하였다. 데카르트는 스넬과는 별도로 굴절 법칙을 발견하였고 이 법칙을 이용하여 무지개에 대한 설명을 명확히 한 최초의 사람이 되었다. 

이보다 먼저 13세기에 살았던 철학자 베이컨은 다른 장소에 있는 관측자가 각기 다른 무지개를 보게 되고 이 무지개는 태양방향에서 약 42도 벌어진 고깔모양을 이룬다는 것을 관측해 내기도 하였다.

 

무지개

이 무지개가 대기 물방울에 의한 것이라는 사실은 1304년에 검증되었고, 1635년 데카르트에 의해 베이컨의 관측을 증명할 수 있게 되었다. 그러나 무지개가 여러 색의 띠를 가진 것을 증명해 보인 사람은 뉴턴으로서 빛의 본성을 설명하고 프리즘 실험을 통하여 빛이 여러 색의 요소를 합친 것이라는 사실을 밝혀냈다.

 

2. 빛의 분산

물을 비롯한 모든 물질은 빛의 파장별로 그 굴절률이 다르다. 이 때문에 여러 파장이 섞여 있는 빛이 매질 속에서 굴절하게 되면 파장별로 다른 각으로 굴절되어 빛이 성분별로 분리된다. 무지개가 아름다운 색으로 분리되는 것도 바로 빛이 물에 의해 분산되는 형상 때문이다.

 

프리즘 속에 빨강부터 보라색까지 모든 색요소가 다 섞여 있는 백생광인 태양 빛이 입사하여 굴절되는 것을 보여주고 있다. 이때 프리즘 각각의 다른 부분으로 입사한 빛은 서로 다른 각도로 굴절과 내부반사를 거쳐서 되돌아 나온다. 프리즘에 균등하게 비쳐진 광선은 먼저 프리즘에 진입할 때 굴절된다. 그리고 굴절된 빛은 프리즘 경계를 만나서 굴절되어 나가는 빛과 내부반사를 하는 빛으로 나눠질 것이다.

 

이렇게 부분적으로 반사한 빛은 굴절 법칙에 의해 다시 프리즘 밖으로 나오면서 상당히 넓은 범위에 걸친 각으로 퍼져 나오게 된다.

프리즘을 통과한 빛이 분리되는 모습

3. 무지개의 모양

공중에 무수히 많은 물방울이 퍼져 있을 때 해를 등지고 햇빛이 비추는 쪽을 쳐다본다면 그 관측자는 42도의 각을 이루는 커다란 원을 만날 것이다. 실제로 이 원은 관측자 눈 바로 앞에서부터 아주 멀리 있는 물방울에서 나오는 빛이 겹쳐져 상당한 깊이를 가지고 있으나 항상 같은 방향이기 때문에 그저 멀리 있는 원처럼 관측학 된다. 입사하는 빛의 진행방향을 축으로 한 대칭성 때문에 무지개는 원호의 모습으로 보인다. 지상에서는 하늘이 있는 부분에만 무지개가 생기지만 하늘 높이 올라가면 완전한 원형의 무지개를 볼 수 있다.

원모양 무지개