요약
비교적 파장이 짧은 전자기파.
본문
본래는 파장이 0.4∼0.75μm인 가시광선을 말하나 넓은 뜻으로는 자외선과 적외선도 포함한다. 전파속도는 진공 중에서 초속 약 30만km(299790.2±0.9km/s)에 달하며 물질 중에서는 이것의 1/n(n은 물질의 굴절률)이다.
진공 속에서의 빛의 속도는 보통 c로 표시되며 물리이론에 있어 중요한 의미를 가지는 상수로 취급된다. 음파나 무선용 전파에 비하여 파장이 짧아 균일한 매질 내에서는 거의 직진한다. 이 때문에 빛의 흐름 폭이 파장에 비교하여 좁거나, 광학적인 상(像)의 주변부분을 자세히 조사하는 등, 파동에 특유한 회절현상이 영향을 주는 경우를 제외하면, 빛을 직진하는 선으로 볼 수 있다.
이와 같이 생각할 때의 빛을 광선(光線)이라 하고, 이에 반하여 빛을 파동으로 고찰하는 경우에는 광파(光波)라 한다. 또한 일정한 파장의 빛은 각각의 파장에 대응하는 색감(色感)을 주게 되므로 파장이 모두 같은 빛을 단색광(單色光), 단색광이 혼합된 보통 빛을 복합광(複合光)이라 한다. 복합광은 프리즘이나 회절격자로 단색광으로 나눌 수가 있으며, 이렇게 나누어 배열한 것을 이 빛의 스펙트럼이라고 한다.
1. 전파
광학적으로 균질인 매질 내에서의 빛은 직진하지만, 서로 다른 매질의 경계면에서는 보통 반사와 굴절이 동시에 일어나 빛이 둘로 나뉜다. 이때 반사광과 굴절광의 빛의 세기의 비율은 빛의 입사각, 매질의 굴절률, 면의 상태 등에 따라 변하며 반사광과 굴절광의 방향에 대해서는 반사법칙과 굴절법칙이 성립한다. 단, 방해석 등의 결정(結晶)에서는 복굴절 현상이 일어나며, 따라서 모든 굴절광에 대하여 굴절법칙이 성립하는 것은 아니다. 또한 굴절률이 큰 광학적으로 밀(密)한 물질로부터 굴절률이 작은 광학적으로 소(疎)한 물질에 빛이 진입할 때는 입사각이 어떤 한계값, 즉 임계각을 넘으면 100% 반사하여 빛이 제2매질 안에 들어가지 않는다. 이 현상을 전반사(全反射)라고 한다.
빛의 진로에 굴절률이 급하게 변하는 경계면이 없다 하여도 물질은 원자 → 분자라는 불연속적인 요소로 구성되어 있으므로 빛의 일부가 조금은 방향을 바꾸게 되어 사방으로 흩어진다. 이것을 빛의 산란(散亂)이라 한다. 미립자(微粒子)에 의한 산란의 세기는 파장의 4제곱에 반비례함이 알려져 있다. 예를 들면, 맑은 날의 하늘이 푸르게 보이는 것은 태양빛이 대기 중의 질소나 산소분자에 의해 산란되는데, 특히 파장이 짧은 파란 빛이 산란되기 때문이며, 대기가 없는 우주공간에서는 빛이 산란되지 않으므로 하늘은 검게 보인다.
또한 빛의 파장에 비하여 입자가 큰 경우, 예를 들면 수증기 등에서는 특히 산란의 정도가 심하여 가시광선 전역에 걸쳐서 빛이 산란된다. 맑은 날의 구름이 흰 빛으로 보이는 것은 수증기에 의한 빛의 산란이 구름 속에서 여러 번 되풀이되어 반사율이 100%에 가까워지기 때문이다. 투명한 유리를 아주 잘게 갈면 불투명하게 되는 것도 같은 이유이다. 이와 같이 반사면을 여러 층 겹쳐 놓은 경우에 일어나는 산란현상을 다중산란이라 한다. 빛은 불투명한 물체 뒤에 그림자를 만들지만 그림자는 기하학적 명확성을 갖지 못하고 주위가 흐리게 보이는 경우가 많다.
이것은 빛이 파동이기 때문에 일어나는 회절(回折)에 의한 것으로, 예를 들면 너비 d인 가는 틈새에 평행광선을 조사(照射)하면 통과 후 sinθ=1.22λ/d(λ는 빛의 파장)의 관계를 만족하는 θ의 각도로 빛의 폭이 넓어진다. 또한 빛을 어떠한 방법으로 둘로 나누었다가 다시 합하면 광행로차(光行路差)가 크지 않는 한 간섭이 일어난다. 이것도 빛이 파동이기 때문에 일어나는 현상의 하나로서 물 위에 떠 있는 기름막이 착색되어 보이는 것을 C.호이겐스가 빛의 파동설의 유력한 근거로 삼은 것은 유명한 일이다.
2. 양과 시감
빛을 특징짓는 양(量)은 밝기(세기)와 빛깔(파장)이다. 빛의 밝기 중 광원의 밝기, 즉 단위시간에 광원을 나오는 빛의 양을 광도(光度)라 하고 보통 칸델라(cd)라는 단위가 사용된다. 단, 퍼지는 것을 무시할 수 없는 광원이나 반사면의 밝기는 그 면의 단위면적으로부터 나오는 빛의 양으로 나타내며, 이것을 그 광원(반사면)의 휘도(輝度)라고 한다. 또한 는데 이것은 1cd(칸델라)의 광원으로부터 1m 떨어진 곳에 빛에 수직인 면의 조명도를 단위로 하여 이것을 1lx(럭스)라 한다. 광량(lm·s) ·휘도(cd/m2) ·광속발산도(lm/m2)는 사람의 시각을 기본으로하여 결정되는 양으로서 빛에너지 자체는 아니다.
예를 들면 자외선이나 적외선과 같이 눈에 보이지 않는 빛을 내는 광원은 많은 에너지를 방출하여도 광도는 0이다. 가시광선에 국한하여도 같은 에너지이면서 눈에 느끼는 밝기는 파장에 따라 다르므로 빛에너지 자체를 알기 위해서는 파장별로 시감도를 기초로 하여 환산하거나 광전관(光電管) 등으로 빛에너지를 물리적으로 측정하는 방법을 사용해야 한다. 이것을 물리측광이라 하고 시각에 의한 측정방법을 시감측광이라 한다. 물체가 빛깔을 가지는 것은 빛을 조사했을 때 물체로부터 특정한 파장의 빛만을 반사하기 때문이다. 따라서 그 물체에 의해 반사되는 파장의 빛을 포함하고 있지 않은 조명광에서는 그 물체는 거무스름하게 보인다.
또한 물체의 빛깔은 금속과 보통 물질과는 나타나는 방식이 다르며, 금속에서는 직접 표면에서 반사되는 데 대하여 보통 물질은 조명광이 일단 물질 안에 들어갔다가 어떤 파장의 빛만이 밖으로 나온다. 이 때문에 보통 물질은 얇은 막으로 만들어 투과광을 보아도 반사광과 같은 빛깔로 보이지만, 금속에서는 투과광과 반사광의 빛깔이 전혀 다르게 된다. 반대로 보통 물질은 잘게 부수면 표면에서의 반사가 많아져서 하얗게 되지만 금속은 아무리 잘게 부수어도 빛깔이 변하지 않는다.
금속과 같이 표면으로부터 반사함으로써 나타나는 빛깔을 표면색, 보통 물체의 빛깔을 물체색이라 한다. 발광체의 빛깔은 발광체의 종류나 빛을 방출하는 메커니즘에 따라서 정해진다. 발광체로부터 방출되는 빛을 스펙트럼으로 나누어 조사하면 포함되어 있는 물질의 종류나 빛의 방출메커니즘에 대한 귀중한 정보가 얻어진다. 또 고체를 고온으로 가열하였을 때 나오는 빛은 열복사(熱輻射)라고 한다. 이때 빛의 빛깔과 온도 사이에는 일정한 관계가 있으며 이 관계는 고온계(高溫計)에 응용되고, 특히 천체의 온도를 추정하는 데도 이 관계가 이용된다.
3. 방출과 간섭성
발광체에는 여러 가지 종류가 있다. 예를 들면 백열전구는 필라멘트가 고온으로 가열됨으로써 빛을 방출하며 수은등이나 네온등은 관 내의 수은이나 네온이 방전에 의해 에너지를 얻음으로써 빛을 낸다. 또한 형광이나 인광(燐光), 또는 생물발광과 같이 거의 열을 수반하지 않는 냉광(冷光)도 있다. 이와 같이 물체가 빛을 방출하는 메커니즘에는 여러 가지 형태가 있으나 어떠한 경우에도 빛의 발생은 물체의 원자 또는 분자의 에너지상태의 변화에 따라 일어난다. 빛이 인공적으로 발신할 수 있는 전파에 비하여 대단히 짧은 파장을 가지는 것은 말하자면 빛이라는 전자기파의 발신원이 원자나 분자라는 대단히 작은 것에 기인한다.
그러나 빛이 전파와 근본적으로 다른 점은 단순히 파장의 차만 있는 것이 아니라, 인위적으로 전자의 진동을 일으켜서 발신하는 전파는 전기장의 위상(位相)이 한 평면 내에 갖추어진 파동으로, 파장도 일정한 반면에 빛은 원자나 분자가 각각 독립된 발신원이 되어 있기 때문에 각각의 전기장 진동면이 일정하지 않고 위상이 가지런하지 않으며, 더욱이 원자나 분자의 에너지상태의 차이에 따라 파장에도 폭이 있게 된다.
일반적으로 위상이 고르고 파동으로서 중첩되는 파를 간섭성파(干涉性波), 위상이 가지런하지 않은 파를 비(非)간섭성파라 하는데, 빛은 비간섭성파이기 때문에 같은 한 광원에서도 다른 부분에서 나오는 빛이나, 같은 빛을 둘로 나누었다가 다시 겹친 경우 광행로차가 크게 되면 간섭이 일어나지 않는다.
그러나 빛의 파장영역에서 전파와 같은 간섭성파를 발생시킬 수 있으면 지향성(指向性)이 좋고 많은 신호를 보낼 수 있는 획기적인 통신방식이 탄생할 가능성을 가지고 있다. 레이저는 이러한 빛의 발생을 실현한 것으로서 일반 광원과는 본질적으로 다른 새로운 빛의 발생원으로서 단색이며 간섭성 ·지향성 및 빛의 세기가 크다. 레이저는 빛의 응용영역을 확대시켜 현재도 많은 분야에 응용되고 있으며 앞으로 더욱 확대될 것이다.
4. 입자설과 파동성
빛이 파동의 일종이라는 추론은 오래 전에 이미 아리스토텔레스에 의하여 주장되어 왔는데, 빛의 파동설이 실증적 근거로 확립된 것은 19세기 초의 일이다. 그 동안 전개된 파동설과 입자설과의 대립은 과학사상 유명한 일로서 17세기 초 C.호이겐스가 제창한 빛의 탄성파설(彈性波說)과 뉴턴이 제창한 미립자설(光素說)이 실마리가 되었다. 그 단계에서는 뉴턴의 권위가 호이겐스의 설을 눌러버린 격이 되었다. 그러나 파동설도 전면적으로 부정된 것은 아니었으며 오히려 파동설 쪽이 물리현상을 설명하는 데 보다 타당성을 가지고 있다고 생각되어 후에 빛의 간섭을 발견한 A.J.프레넬(1788∼1827)과, 편광을 발견한 E.L.말뤼스(1775∼1812) 등에 의하여 호이겐스의 설이 인계되어 정밀한 실험의 기초 위에 파동설이 제출되었다.
파동설은 빛을 음파와 같이 탄성파로 생각하고 있었으므로 그 매질로서 에테르라는 탄성체를 가정하지 않으면 안 되었으며, 이러한 물질을 가정하는 데는 물리적으로 많은 곤란이 있었다. 이 곤란은 후에 J.C.맥스웰이 전자기파의 존재를 이론적으로 유도하여 그 속도가 광속도와 일치함이 발견되어 빛의 전자기파설이 확립되었고, 빛의 매질은 공간 그 자체이고 물질을 매질로 생각할 필요가 없음이 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하여 명확히 되었다. 그러나 이 전자기파설이 빛에 관하여 그때까지 알려져 있던 많은 현상을 설명하고 물질과 빛의 상호작용에 관하여 많은 사실을 밝혔지만 광전효과(光電效果)와 같이 이 이론으로는 설명이 되지 않는 현상도 발견되었다. 이 모든 문제를 해결하기 위하여 제출된 것이 아인슈타인의 광양자설(光量子說)로서 빛은 연속적인 파동으로서 공간에 퍼지는 것이 아니라 입자(粒子:광전자)로서 불연속적으로 진행한다는 생각이 전개되었다.
이 생각은 후에 콤프턴효과 등에 의하여 확인되었지만, 한편으로는 빛을 파동으로 생각함으로써 설명되는 현상도 있었으며, 당시의 물리학자는 이 새로운 입자설과 파동설의 모순에 고민하였다. 그 후 이러한 모순은 양자역학(量子力學)의 성립과 함께 해결되어 미시적 세계에서 자연의 본질적인 이중성임이 분명히 되어 현재는 빛을 전자기파로서 행동하지만 원자 차원에서의 에너지의 주고받음이 문제로 될 때에는 광자(光子:photon)라는 입자적 성격을 가진 에너지의 알맹이로 본다.