빛의 파동적 성질 ② {간섭}

2024.11.11 - [2024 물리학I 톺아보기] - 빛의 파동적 성질 ① {스넬의 법칙, 전반사, 광통신}

빛의 파동적 성질 ① {스넬의 법칙, 전반사, 광통신}

판서 조직도

 

목표 기출 문제

23년도 6월 모평 물리학1 4번

답: 3번

 

2. 빛의 간섭

1) 영의 이중 슬릿 실험

 

영국의 과학자 영은 이중 슬릿을 통과한 두 빛이 밝은 무늬와 어두운 무늬를 번갈아 만든다는 걸 관찰합니다. 밝은 무늬가 나타나는 곳은 두 빛이 보강 간섭을 일으킨 지점이고, 어두운 무늬가 나타난 곳은 두 빛이 상쇄 간섭을 일으킨 지점입니다. 이러한 빛의 간섭 현상은 빛이 파동임을 입증하는 사례입니다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=WTARZHyxDXc

 

2) 빛의 간섭 사례

① 보강 간섭

ⓐ 비누막 

 

비누막의 무지갯빛은 빛이 간섭하여 나타나는 현상입니다. 비누 막의 겉면에서 반사된 빛과 안쪽 면에서 반사된 빛이 간섭하게 되는데, 막의 두께와 보는 각도에 따라 두 빛의 경로차가 달라지므로 보강 간섭하는 빛의 색깔도 달라지게 돼요.

 

ⓑ 지폐의 홀로그램

 

지폐를 어떤 각도로 보냐에 따라 잉크에서 반사되는 두 빛의 경로차가 바뀝니다. 어떻게 보냐에 따라 숫자가 노란색으로 보이기도 하고(≒노란빛의 파장이 보강 간섭을 일으키는 경로차가 되어서) 초록색으로 보이기도 합니다.(≒초록빛의 파장이 보강 간섭을 일으키는 경로차가 되어서)

 

ⓒ 모르포 나비의 날개

 

모르포 나비의 푸른빛은 어느 염료로도 구현할 수 없습니다. 이는 빛의 간섭으로 인한 색깔이기 때문이죠. 모르포 나비의 날개는 얇은 막들이 여러 겹으로 쌓여 있는 구조로 되어 있습니다. 이 격자 구조에서 빛들이 보강 간섭한 결과, 나비 날개를 보는 각도에 따라 푸른빛의 명도와 채도가 바뀌게 됩니다.

 

모르포 나비의 날개 구조를 차용한 분광기

 

과학자들은 모르포 나비에서 얻은 아이디어를 통해 빛을 파장별로 분리하는 분광기를 발명했습니다. 여러 파장이 섞인 빛을 분광기에 통과시키면 빛의 파장과 보는 각도에 따라 보강 간섭 조건이 달라지므로, 빛이 분리되어 보입니다.

 

레드 엣지, 생명의 흔적을 찾는 바이오마커

지구의 식물 대부분은 0.7nm보다 짧은 파장의 가시광선을 흡수하고 그보다 긴 파장 대역의 빛은 반사합니다. 그래서 우주 저편에서 지구의 빛을 분석할 경우 0.7nm 대역 주변에서 갑자기 빛의 세기가 달라지는 부분이 생겨요. 이게 바로 레드 엣지입니다. 일반적으로 행성의 빛은 별빛과 대기 성분 등으로 인해 다양한 파장 영역에서 흡수가 일어납니다. 그러나 0.7nm 주변에서는 그런 현상이 거의 없기 때문에 여기에서 레드 엣지가 나타나면 가시광선 광합성을 통한 생명 활동 때문이라고 예상해 볼 수 있죠.

 

ⓓ 카멜레온의 변색

 

카멜레온의 변색은 격자 구조와 같은 피부 세포에서 빛이 간섭을 하기 때문에 나타나는 현상입니다. 피부 세포의 간격은 혈압과 근육의 긴장과 같은 생리적 요소를 통해서 조절된다고 합니다. 이러한 변색을 통해 카멜레온은 위장은 물론 동료끼리 커뮤니케이션까지 할 수 있다고 합니다.

 

② 상쇄 간섭

 

코팅재의 바깥쪽 면에서 반사된 빛과 안쪽 면에서 반사된 빛의 경로차를 상쇄 간섭이 일어나는 두께로 코팅재를 맞춰 제작하면 무반사 안경을 만들 수 있습니다.

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붉게 타오르는 노을은 흐르는 세월에 옅어져가고 있었던 추억과 이름이 불현듯 떠오를 때 사무치는 그리움으로 타들어가는 우리의 가슴입니다. 색에서 그리운 사람의 흔적을 찾듯이 우리는 색을 통해 우주 어딘가에 존재할 생명의 흔적을 찾을 수 있어요. 이번 시간에 공부할 빛의 두 번째 파동적 성질이 이와 관련돼 있습니다.

 

오르트 구름 - 윤하

https://www.youtube.com/watch?v=oIRT3VfWVZ0

 

인류 역사상 가장 위대한 여행자, 보이저 호

목성의 대적점과 토성의 위성, 타이탄

 

지구를 떠나 제일 먼 곳을 향하는 가장 위대한 여행자는 바로 보이저 호입니다. 그렇게 불리는 이유는 태양부터 명왕성까지 거리, 약 59억 km의 네 배에 해당하는 우주공간을 항해했기 때문이죠. 교과서에 실려 있는 목성의 대적점과 토성의 위성 타이탄 등 모두 보이저 호가 촬영한 결과물입니다. 지금 이 순간에도 보이저호는 시속 6만 976km의 속력으로 태양계를 벗어나고 있습니다.

 

 

보이저 호는 300년 후에 태양계의 외부 경계인 오르트 구름에 도달한다고 합니다. 오르트 구름을 완전히 벗어나는 시기는 2만 년 뒤쯤이 될 전망이고, 태양에서 가장 가까운 별 알파센타우리에 도달하기까지는 1만 년 이상이 더 필요하다네요. 이처럼 성간 공간(interstella)은 인류가 극복하기 만만치 않은 거대한 공간적 장벽입니다. 그러나 페트리 접시의 미생물을 현미경으로 볼 수 있듯이 분광기를 이용한다면 우주를 페트리 접시에 올려놓을 수 있습니다.

 

 

분광기를 이용해 색을 보는 능력이 발전함으로써 빛은 우리의 주요 에너지 원천일 뿐 아니라, 동시에 지구상에서 가장 중요한 데이터 자원이 되었습니다. 별들의 스펙트럼은 우주의 발생과 발전에 대한 가설을 정립하고, 무한한 공간에서 생명체의 흔적을 기대할 수 있게 해 주었죠.

 

녹이 슨 심장에 쉼 없이 피는 꿈

 

어두컴컴한 밤하늘의 심연을 올려다보며 더 넓은 세계에 대한 호기심을 물리학 탐구로 승화시킨 인류로 인해 우주는 138억 년간의 오랜 침묵을 깨게 되었습니다. 우리가 한 평 남짓의 좁은 공간에서 우주의 탄생과 종말을 상상하며, 자신의 내면 안에 무한한 우주를 담아 우주의 의미를 이해하려 하는 면에서 인류의 존재는 우주적입니다. 나의 우주를 보는 유일한 자이자, 세상에 의미와 가치를 부여하는 최후의 존재는 바로 나 자신이에요. 그렇기에 우리는 절대 하찮지 않습니다.

 

인생 뭐 그렇게 오래 살지 않았지만 쓰디쓴 바람에 생채기를 수없이 입어가며 내 심장도 남들과 다를 바 없이 여리다는 걸 알게 되었습니다. 그러나 그 바람은 내 심장에 생채기만 남기지 않았더라고요. 바람을 타고 날아온 씨앗들은 생채기 난 심장에 자리 잡아 소중한 꿈들로 싹틔웠습니다. 그렇기에 수십 번 깨지고 좌절하면서도 내 심장에서 쉼 없이 피어가게 될 소중한 꿈의 싹을 지키기 위해 나는 오늘도 그 바람을 등지고 앞으로 달려갑니다. 무모함이 새로운 기회임을 알기에, 녹슨 심장에도 꿈이 피어남을 알기에 사소한 모든 것의 의미를 찾아가며 앞으로 달려갑니다. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.