사용자:Redcoat94/연습장

빛

4. 빛의 성질

  4.1 직진성

      빛의 가장 기본적인 성질은 직진한다는 것이다. 여기서 직진은 '공간상의 가장 짧은 거리'로 정의한다. 중력 등에 의해 빛이 휘어질 때도 빛의 직진성은 변하지 않는다. 빛은 여전히 직진하고 공간이 휘어진 것이기 때문이다. 수학적으로 해석하면, 빛을 의미하는 파동함수는 ψ(x,t)=Ae^i(kx-ωt+φ)로 나타낼 수 있다. 이때 k의 값이 빛의 진행을 나타내는데, 이 값이 상황에 따라 고정된 1차원의 벡터량이므로 빛도 방향이 바뀌지 않는 1차원의 운동을 하게 된다. 

  4.2 반사와 투과

      빛이 얇은 유리판과 같은 투명한 매질의 표면으로 입사할 때 이 빛은 빛을 산란시키는 밀집된 거대한 원자 배열을 볼 것이다. 이 파의파장은 ~500nm인 반면에 원자 크기 및 원자간격(0.2nm)은 수천분의 1 정도로 빛의 파장보다 더 작다. 밀한 매질을 지나가는 투과의 경우 산란된 전파는 각각 서로를 지워버리지만 앞쪽 방향, 즉 앞으로 진행하는 빛은 그대로 유지된다. 그러나 이러한 과정은 매질의 불연속적 경계면이 없다고 가정할 때만 일어날 수 있다. 이 과정은 (공기 및 유리와 같이) 2개의 서로 다른 투명한 매질들 사이의 경계면에서는 적용되지 않는다. 이러한 경계면은 사실 울퉁불퉁한 불연속 경계면이다. 빛이 경계면에 입사할 때 일부의 빛은 뒤로 되반사하는데, 이러한 현상을 반사(reflection)라고 부른다. 이상적인 금속의 경우 빛을 100% 반사시키는데, 이를 수학적으로 설명할 수 있다. 빛의 파동함수가 금속의 경계면으로 진입하면, ψ(x,t)=Ae^i(kx-ωt+φ)의 항 중에 실수부가 사라지고 허수부만 남게 된다. 이는 실존하는 빛을 표현할 수 없으므로 빛은 금속 내부를 진행할수 없다는 것을 나타낸다. 따라서 빛은 금속을 통과하지 못하고 100% 반사되어 나오게 된다.

  4.3 굴절

      빛의 임의의 각도로 경계면으로 들어갈 때, 이 면이 대표적인 불균질 매질에 대응하고 이 면을 구성하고 있는 원자가 반사광처럼 뒤쪽으로 그리고 투과광처럼 앞쪽으로 모두 빛을 산란시킨다. 입사광선이 휘거나 구부러지는 현상을 굴절(refraction)이라고 한다. 이때 빛은 스넬의 법칙(Snell's law)을 따라 굴절한다. 스넬의 법칙이란 입사하는 매질의 굴절률과 입사각이 n1,θ1이고 굴절하는 매질의 굴절률이 n2,θ2일때 n2n1sinθ1=n2sinθ2을 만족한다는 법칙이다. 진공에서 빛의 속력 c와 물질 속에서 빛의 속력 v의 비, 즉 n=c/v를 굴절률이라 한다. 빛은 진공에서 보다 물질 속에서 더 느리게 진행하므로 물질 속에서 굴절률은 항상 1보다 크고, 진공에서 굴절률은 정확히 1이다. 

  4.4 간섭

      빛을 나타내는 파동함수는 이차 선형 편미분 방성직의 해로 나타낼 수 있다, 따라서 이 파동함수는 중첩의 원리(principle of superposition)를 따른다. 달리 말하면 '빛의 간섭이란 2개 혹은 그 이상의 빛이 상호작용하여 얻어진 합성파의 복사조도(irradiance)가 성분 광파의 복사조도를 단순히 더한 값과 달라지는 현상'이라고 볼 수 있다. 예를들어 두가지 빛을 ψ1(x,t)=Ae^i(k1x-ωt+φ),ψ2(x,t)=Be^i(k2x-ωt+φ)로 나타내면, 중첩된 빛은 ψ12(x,t)=Ae^i(k1x-ωt+φ)+Be^i(k2x-ωt+φ)

로 나타낼 수 있다.

  4.5 회절

      음파, 물질파, 빛을 포함한 모든 파동에서 회절(diffraction)은 진행하는 파면의 일부가 차단되었을 때 발생하는 파동 현상의 일반적인 특성이다. 투명하거나 불투명한 장애물을 만나서 일부 파면의 진폭이나 위상이 변하게 되면 회절 현상이 나타난다. 장애물을 지나 진행하는 파면상의 각 부분은 서로 간섭(interference)하여 회절무늬라 불리는 독특한 에너지밀도 분포를 형성한다. 간섭과 회절은 명확하게 물리적으로 구분되지 않는다. 그러나 항상 적절한 적은 아니지만 관례적으로 몇 개의 파가 중첩되는 경우에는 간섭으로, 대단히 많은 수의 파가 중첩되어 나타나는 현상은 회절로 구분한다. 그렇더라도 많은 파의 중첩을 취급하는 경우 한편으로는 다중광속 간섭이라 부르고 다른 한편으로는 격자에 의한 회절이라고 부른다.
      일각에서는 빛의 회절을 불확정성의 원리로 설명하기도 한다. 불확정성의 원리란, 파동에서 변위의 불확정성과 운동량의 불확정성의 곱이 상수값보다 항상 크거나 같음을 말한다. (Δx*Δp≥ħ/2)빛이 슬릿으로 진입하면서 파동의 범위의 불확정성(Δx)이 감소하므로, 파동의 운동량의 불확정성(Δp)이 증가해서 빛의 방향의 불확정성이 증가한다는 논리이다.