d라이브러리

“전국이 대체로 맑은 가운데 서울은 낮 최고 기온이 28℃를 기록하며 완연한 여름 날씨를 보이겠습니다. 자외선지수도 높은데요.”
일기예보를 들으니 여름이 다가오고 있다는 것이 느껴진다. 여름은 겨울에 비해 지구가 받는 빛의 양이 많아지기 때문에 덥다. 게다가 자외선의 양도 늘어나 오래 햇볕을 쬐면 피부암에 걸릴 위험이 높아진다. 그렇다면 빛이란 무엇인가? 자외선은 무엇일까? 빛은 모든 에너지의 근원이며 우리가 사물을 볼 수 있게 해 준다. 또 빛은 파장에 따라 눈에 보이는 가시광선과 보이지 않는 자외선, 적외선, 엑스선 등으로 나누어진다. 이번 단원에서는 세상에 가득한 빛을 느껴 보자.

빛은 파동일까, 입자일까?

우리 주위에는 스스로 빛을 내는 물체와 그렇지 못한 물체가 있다. 태양과 같은 항성이나 전구, 형광등,  네온사인은 스스로 빛을 낸다. 이러한 물체를‘광원’이라고 하는데, 광원에서 나온 빛은 직접 눈으로 들어온다. 스스로 빛을 내지 못하는 물체도 광원에서 나온 빛이 물체에 부딪혀 반사되면 우리 눈에 보인다. 이 세상에 빛이 없다면 우리는 아무 것도 볼 수 없다.
빛은 우주에서 가장 빠른 속도로 움직인다. 진공 속에서는 무려 1초에 30만㎞를 나아갈 수 있다. 한 때 빛이 물결과 같은 파동의 형태로 움직이는지 아니면 알갱이와 같은 입자 상태로 나아가는지는 물리학계의 큰 논쟁거리였다. 19세기 말 영국의 물리학자 맥스웰은 빛이 전자기파의 일종이라고 주장했다. 빛은 전기와 자기의 진동이 공기 중으로 퍼져 나가며 일으키는 파동이란 얘기다. 그런데 이 이론으로는 공기가 없는 진공에서도 빛이 움직이는 것을 설명할 수 없었다. 빛이 파동이라면 빛을 전달하는 매질이 필요하기 때문이다. 물결이 물이라는 매질을 통해 퍼져나가듯 말이다. 빛의 경우 진공에서 가장 속도가 빠르고, 매질을 통과할 때는 오히려 속도가 느려진다. 과학자들은 빛을 전파하는 가상의 매질인 에테르를 상상해 냈다.

빛은 움직이는 거야

아인슈타인은 사고실험을 통해 우주를 맘껏 누빌 수 있었다. 우리도 지금부터 빛이 되는 사고실험을 해 보자. 광원에서 나온 빛은 일직선으로 나아간다. 물 속으로 들어가면 어떻게 될까? 빛이 물이나 유리 같은 투명한 물체와 부딪히면 일부는 통과한다. 이 때 경계면에서 진행방향이 꺾이는 현상을 빛의 굴절이라고 한다. 빛의 굴절률은 물체에 따라 다른데, 굴절률이 클수록 꺾이는 정도가 커진다.
또 일부의 빛은 물 위나 거울과 같은 물체와 부딪혀 반사한 다음 우리 눈으로 되돌아온다. 반사란 어떤 면에 부딪힌 빛이 다시 튕겨져 나가는 것을 말한다. 거울이나 유리, 물에 비친 사물의 모습을 볼 수 있는 것은 반사 때문이다. 거울은 편평한 유리판 뒷면에 수은을 발라 고르게 빛을 반사하도록 만든다. 그러나 물결이 이는 호수나 바다는 표면이 고르지 않기 때문에 빛이 사방으로 흩어진다.

굴절 : 빛의 굴절로 물 속에 담긴 연필이 어긋나 보인다. 또 물이 든 유리컵의 표면이 볼록렌즈 역할을 하
기 때문에 물에 잠긴 부분이 더 굵어 보인다.

적외선 영상을 이용하면 어두운 밤에도 볼 수 있고 체열 사진을 찍을 수도 있다. 또 적외선위성은 긴 파장
의 빛을 방출하는 우주의 행성을 찾아 낸다. 리모컨에서 나오는 빛도 적외선이다.

마이크로파는 살균력이 강하며 식물이나 물에 잘 흡수되어 열을 발생시킨다. 이 성질을 이용해서 만든
조리기구가 전자레인지다. 또 레이더는 마이크로파 빔을 발사하여 항공기나 배의 위치를 알아 낼 수 있다. 마이크로파는 한 번에 많은 양의 정보를 보낼 수 있기 때문에 통신이나 방송 중계에도 사용된다.

라디오파는 공기 중을 자유롭게 이동하고 다른 곳에 잘 흡수되지도 않아 통신에 이용한다. 소리를 변화시키는 방식에 따라 AM과 FM으로 나눈다.

전파

적외선의 바깥에는 전자레인지나 레이더, 텔레비전, 라디오 등의 전자기기에 사용되는 파장이 긴 빛이 존재한다. 마이크로파와 라디오파가 있다

파장에 따른 빛의 분류

빛은 좁은 의미로 눈에 보이는 가시광선을 의미한다. 넓은 의미로는 눈에 보이지 않는 적외선과자외선, 엑스선, 감마선, 전파 등 전기와 자기의 성질을 가진 전자기파까지 포함한다. 전자기파는 파장의 길고 짧음에 따라 분류할 수 있다.
 
거울아~! 거울아~!

백설공주의 새엄마인 왕비는 거울로 가득 찬 방에 살고 있다. 어떤 거울에 비친 모습은 물체와 똑같은 모습이다. 단지 좌우만 바뀌어 있다. 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는 이러한 거울을 평면 거울이라고 한다. 어떤 거울에는 훨씬 더 넓은 범위의 모습까지 비친다. 원래의 크기보다는 작게 보이지만 대신 멀리 떨어져 있는 사물까지 볼 수 있다. 이 거울은 볼록 거울로 자동차의 사이드미러로 사용하거나 길 모퉁이에 설치한다.
반대로 물체와 거울 사이의 거리에 따라 거울에 비친 모습이 달라지기도 한다. 이 거울을 오목 거울이라고 한다. 물체와 거울이 매우 가까울 때는 거울에 비친 물체가 실제보다 크게 보인다. 그러나 물체와 거울 사이가 멀어지면 거울에 비친 상은 뒤집어진다. 집에서 흔히 사용하는 숟가락에서 볼록 거울과 오목 거울을 모두 볼 수 있다. 숟가락의 오목한 앞면이 오목 거울, 볼록한 뒷면이 볼록 거울이다
 
스타워즈 광선검의 진실

영화 스타워즈에서는 제다이의 기사들이 멋진 광선검을 휘두른다. 손잡이의 버튼을 누르면 빛이 튀어나오고 길이도 맘대로 조절할 수 있다. 사실 현실에서 광선검을 만드는 것은 불가능하다. 빛을 구성하고 있는 광자는 서로 부딪치더라도 그냥 지나쳐 버리기 때문에 칼싸움 자체가 이뤄질 수 없다. 또 빛을 특정 길이로 가둬 두는 것도 어렵다. 손잡이에서 뻗어 나온 빛은 초당 30만㎞의 엄청난 속도로 공간을 직진하기 때문이다. 실제로 영화에서는 실감나는 광선검을 만들기 위해 컴퓨터 그래픽 기술을 이용했다.

살아 있는 실험실
자동차랑 놀자!

자동차에 설치된 각각의 거울은 어떤 특징을 갖는지 직접 살펴보자.

사이드미러

왼쪽은 평면 거울, 오른쪽은 볼록 거울로 되어 있다. 오른쪽은 운전자의 눈에서 멀리 떨어져 있어 잘 보
이지 않기 때문에 볼록 거울을 사용한다. 앞면이 볼록하게 튀어나온 볼록 거울은 물체를 작게 비추는 대신 넓은 범위의 물체까지 보여 준다. 실제로 오른쪽의 사이드미러에는‘사물이 실제 보이는 것보다 가까이에 있음’이라고 적혀 있다. 차가 길의 오른쪽을 달리는 우리나라와 달리 왼쪽으로 달리는 영국이나 일본, 호주에서는 어느 쪽 사이드미러가 볼록 거울일까? 당연히 운전석이 오른쪽에 있으므로 운전석으로부터 먼 왼쪽의 사이드미러가 볼록 거울로 만들어진다.

헤드라이트

자동차의 눈에 해당되는 헤드라이트 속에는 오목 거울이 들어 있다. 오목 거울은 빛을 한군데로 모으는 성질이 있다. 오목 거울의 초점에 전구를 올려놓고 불을 켜면 빛이 오목 거울에서 반사되어 멀리까지 나아갈 수 있다.

룸미러

운전자가 차량 뒤쪽의 움직임을 잘 볼 수 있도록 자동차 내부 지붕에 설치하는 거울이다. 룸미러는 뒤에
오는 차와의 정확한 거리 측정을 위해 있는 그대로를 보여 줄 수 있는 평면 거울을 사용한다.

앰뷸런스의 글자가 좌우로 뒤집힌 이유는?

자동차를 몰고 가는데 어디선가 다급한 사이렌 소리가 들린다. 룸미러를 통해 뒤를 보니 구급차다. 얼른 속도를 늦추어 길을 비켜 주는데, 문득 구급차에 앰뷸런스(AMBULANCE)라는 글자가 좌우로 뒤집혀 있는 게 보였다. 거울에는 좌우가 바뀐 모습이 비친다. 앰뷸런스라는 글자도 좌우가 바뀌어야 운전자들이 제대로 알아보고 길을 비켜 줄 것이다. 그렇다면‘119 구급대’라는 글자는 거울에 비친 모습을 생각했을 때 어떻게 쓰는 것이 좋을까?