왜 어떤 액체는 투명하고 어떤 건 뿌옇게 보일까요??

Question

빛이 물질을 통과할 때 분자 구조와 입자 크기에 따라 산란이 달라진다. 투명과 탁도의 차이를 결정하는 물리적·화학적 원리는 무엇일까요? 알려주세요

Answer 1

안녕하세요.

어떤 액체가 투명하게 보이느냐, 아니면 뿌옇게 보이느냐는 빛이 그 액체를 통과할 때 얼마나 직진하느냐, 혹은 얼마나 산란되느냐에 의해 결정됩니다. 우선 순수한 물처럼 투명한 액체는 내부가 거의 완전히 균일한 분자 수준의 구조를 가지고 있는데요, 물 분자 하나하나는 빛의 파장에 비해 매우 작기 때문에, 빛은 이들을 거의 방해받지 않고 통과합니다. 물론 아주 미세한 산란은 일어나지만, 그 정도가 너무 작아 눈으로는 거의 느껴지지 않으며 매질 전체의 굴절률이 일정하기 때문에 빛이 방향을 크게 바꾸지 않고 곧게 진행할 수 있습니다.

반면 액체가 뿌옇게 보이는 경우는 내부에 빛의 파장과 비슷하거나 더 큰 크기의 입자나 미세한 상이 떠 있을 때인데요, 이런 경우 빛은 그 입자들과 상호작용하면서 여러 방향으로 퍼지게 되는데, 이를 산란이라고 합니다. 특히 입자 크기가 빛의 파장과 비슷할 때는 강한 산란이 일어나 빛이 사방으로 퍼지므로, 우리는 그 액체를 탁하고 불투명하게 인식하게 되고, 우유나 미세하게 섞인 기름-물 혼합물이 대표적인 예입니다. 또한 액체 내부에 서로 다른 성질의 물질이 섞여 있으면, 각각의 굴절률이 달라 경계면에서 빛이 계속 꺾이고 반사되며 이 역시 빛의 직진을 방해하고 산란을 증가시켜 탁도를 높이는 원인이 됩니다. 이를 화학적으로 보면, 완전히 용해된 상태는 분자 단위로 균일하기 때문에 투명하지만, 콜로이드나 현탁액처럼 입자가 분산된 상태에서는 입자 크기와 분포에 따라 빛 산란이 커져 뿌옇게 보이게 되며 즉 투명하거나 탁한 것의 본질적인 차이는 빛의 파장보다 훨씬 작은 균일한 분자 분포인가, 아니면 빛을 산란시킬 수 있는 크기의 불균일 구조가 존재하는가에 달려 있다고 볼 수 있습니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

액체가 투명하거나 뿌옇게 보이는 차이는 빛이 액체 내부의 입자와 만나 어떻게 반응하느냐에 달려 있습니다. 이 현상의 핵심은 빛의 직진성을 방해하는 산란과 흡수, 그리고 굴절률의 균일성입니다.

​물처럼 투명한 액체는 내부 분자들이 빛의 파장보다 훨씬 작은 크기로 고르게 배열되어 있습니다. 이 경우 가시광선이 분자 사이를 통과할 때 방해를 거의 받지 않고 그대로 직진하거나, 모든 방향으로 아주 미세하게 산란되는 레일리 산란이 일어납니다. 입자가 매우 작으면 빛이 굴절되는 정도가 일정하여 우리 눈에는 아무것도 걸리는 것 없는 맑은 상태로 인식됩니다.

​반면 우유나 막걸리처럼 뿌연 액체는 빛의 파장과 비슷하거나 그보다 큰 입자들이 액체 속에 분산되어 있습니다. 이를 콜로이드 상태라고 하는데, 빛이 진행하다가 이 커다란 입자들과 부딪히면 사방으로 강하게 흩어지는 미 산란이 발생합니다. 이렇게 사방으로 흩어진 빛이 우리 눈에 들어오면 액체 내부가 불투명하고 하얗게 보이게 됩니다.

​화학적으로는 굴절률의 차이도 중요합니다. 액체와 그 안에 섞인 입자의 굴절률이 서로 다를수록 경계면에서 빛이 더 많이 굴절되고 반사되어 탁도가 높아집니다. 예를 들어 물과 기름을 강하게 섞으면 각각은 투명하지만 두 물질의 굴절률 차이와 입자 크기 때문에 빛이 심하게 산란되어 하얀 에멀션 상태가 됩니다. 결국 투명함이란 빛이 입자에 부딪히지 않고 무사히 통과할 수 있는 미세 구조의 균일함이 결정하는 결과물입니다.