전자기파의 역사와 전자기파 스펙트럼

2021.11.15 - [2021 물리학1] - 파동의 간섭(중첩과 독립성, 정상파, 영의 이중 슬릿 실험)

파동의 간섭(중첩과 독립성, 정상파, 영의 이중 슬릿 실험)

 

1864년 맥스웰, 전자기파를 예언하다.

 

1864년 맥스웰은 전기와 자기가 서로를 유도할 때 주고 받는 신호가 필시 있을 것이고, 더 나아가 그 신호는 1초에 299,792,458m를 진행하는 파동의 형태일 것이라고 가정했다. 맥스웰은 그 파동의 이름을 '전자기파'라 칭하였다. 이 예언의 근거는 오로지 수학적인 식; 맥스웰 방정식이었다.

맥스웰은 맥스웰 방정식을 통해 전자기파의 존재를 예언했다.

하지만 맥스웰은 난관에 봉착한다. 맥스웰 방정식으로 도출된 파동(전자기파)은 매질이 없어도 이동 가능했기 때문이다. 파동은 매질을 통해서만 전달될 수 있다는 주장이 공론화되었던 시대에 맥스웰은 자신의 이론 결과를 받아들여야 할지 폐기해야 할지 큰 딜레마에 빠졌다. 맥스웰에게는 모두가 '예'라 할 때 '아니오'라고 말할 용기가 없었다. 확신이 없었기 때문이다.

 

매질이 없어도 파동이 전달되는 사례만 발견된다면... 맥스웰에겐 그게 필요했었다.

 

1887년 마이컬슨 왈, 에테르는 없었다. 

 

20년의 시간이 흐르고 맥스웰이 그렇게 애걸복걸했던 사례는 마이컬슨과 몰리에 의해서 발견된다.

(좌)마이컬슨, 마이컬슨과 그의 조수 몰리의 실험 장치

사실 마이컬슨과 몰리는 맥스웰의 바람을 이뤄주고자 실험을 한 게 아니다. 과학자들은 예전부터 우주는 공기가 아닌 가상의 물질 에테르로 가득 차있기 때문에 빛 파동이 '에테르'를 매질 삼아 지구로 건너올 수 있다고 주장했다. 마이컬슨은 그저 빛의 매질 '에테르'의 존재를 밝히고자 실험을 계획한 것뿐이었다.

 

하지만 마이컬슨의 실험은 '에테르'의 존재를 부정하는 결과를 낳았다. 이 결과를 달리 해석하면 대기도 없고 에테르도 없는 즉, 빛 파동이 완벽하게 매질이 없는 진공 상태의 우주를 건너 지구로 향한다는 걸 방증하는 경우였다.

현대 물리학의 발전 과정에서 빠지면 섭섭한 인물 ' 아인슈타인'

마이컬슨과 몰리의 실험은 아인슈타인에게 큰 통찰력을 제공하였다. 그는 마이컬슨-몰리 실험은 실패작이 아니고 맥스웰의 계산은 아주 정확했다고 선언하고나서, 자신만의 독창적인 직관을 활용하여 정리한 '특수 상대성 이론'을 발표한다.

 

최초로 전자기파를 발견한 헤르츠

결국 베일에 감싸져 있던 전자기파의 존재는 헤르츠의 실험을 통해 드러나게 되었고, 그와 더불어 빛이 전자기파의 한 종류임이 밝혀지게 되었다. 맥스웰의 이론이 현실로 탈바꿈되는 순간이 도래했다.

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흔히 빛이라 하면 가시광선을 떠올린다. 우리는 가시광선을 통해 시각 정보를 얻지만 가시광선은 사실 빛의 극히 일부분이다.

같은 꽃을 일반 카메라(좌), 자외선 카메라(우)로 보았을 때

사람이 가시광선이 아닌 다른 빛을 볼 수 있었다면 꽃의 무늬는 상당히 다르게 보였을거다. 전 시간에는 빛이 파동만이 일으키는 현상, 굴절과 간섭을 한다는 걸 배웠다. 과학자들은 이를 통해 빛이 파동이라고 주장할 수 있었다. 이번 시간에는 빛을 파동적 언어인 파장과 진동수별로 분류하여 우리가 알고 있는 빛에는 어떤 종류가 있고, 각각 어떻게 활용되는지 알아본다.

학습목표

다양한 전자기파를 파장에 따라 구분하고, 그 사용 예를 찾아 설명할 수 있다.

 

1. 전자기파의 성질

전기와 자기가 서로를 유도하며 진행하는 파동을 '전자기파'라 한다. 

이때 전기장과 자기장의 진동 방향이 서로 수직이고, 전자기파는 전기장과 자기장의 진동 방향과 수직인 방향으로 진행하는 파동이므로 횡파다. 전자기파는 매질이 없어도(진공에서도) 진행 가능하다는 특이점이 있다.

 

진공에서의 전자기파 속력은 299,792,458m/s이다.

맥스웰이 맥스웰 방정식만으로 전자기파의 속력을 일의 자리 숫자까지 정확하게 예측했다는 게 가히 놀랍다.

2. 전자기파 스펙트럼(분포도)

전자기파는 모든 파장에 연속적으로 걸쳐 있지만, 전자기파 스펙트럼 중 비슷한 성질을 가진 파장의 구간을 정하여 용도에 따라 구분한다.

 

위의 그림에서 오른쪽으로 갈수록(X선으로 갈수록) 파장이 짧아지고 진동수가 커짐을 확인하라. 왜 그러겠는가? 밑의 식을 보자.

빛의 속력은 변함없으므로 파장과 진동수가 반비례 관계다.

3. 전자기파의 특징과 이용

종류	특징	이용
라디오파	파장이 제일 길어서 회절이 잘 일어나 파동이 구석구석 잘 전달된다.	라디오, TV를 포함한 무선 통신
마이크로파	라디오파보다 파장이 짧으며 많은 정보를 전달 마이크로파의 진동수는 물 분자의 고유 진동수와 비슷하여 물 분자의 진동을 극대화시킨다. 전자레인지는 이러한 특성(공명)을 활용하기 때문에 음식물이 데워진다.	레이더, 휴대 전화 데이터 통신, 전자레인지
적외선	가시광선의 빨간색 빛보다 파장이 길며 마이크로파보다 파장이 짧다. 강한 열작용을 하여 열선이라고도 한다.	적외선 온도계, 적외선 카메라, 리모컨
가시광선	사람이 눈으로 인식할 수 있는 전자기파, 파장에 따라 사람 눈에 다른 색으로 보임.	조명이나 디스플레이
자외선	가시광선의 보라색 빛보다 파장이 짧고 X선보다 파장이 긴 전자기파로 세균의 단백질 합성을 방해하여 살균 작용	살균 및 소독기
X선	자외선보다 파장이 짧고 사람의 몸이나 건물 벽을 투과	X-ray, 공항 수하물 검사, 비파괴검사
감마선	핵반응시 방출하는 파장이 매우 짧은 전자기파로 투과력이 매우 강함.	암 치료

4. 기출문제 풀어보기

19년도 4월 학평 물리1 1번/ 정답률 92%

답: 1번

 

19년도 7월 학평 물리1 1번/ 정답률 90%

답: 4번

 

16년도 3월 학평 물리1 11번/ 정답률 73%

답: 1번

 

20년도 6월 모평 물리1 1번/ 정답률 81%

답: 3번

 

13년도 4월 학평 물리1 14번/ 정답률 68%

답: 3번

 

18년도 수능 물리1 3번/ 정답률 93%

답: 5번

 

15년도 9월 모평 물리1 1번/ 정답률 92%

답: 5번