일상에서 빛의 굴절은 왜 발생하는 걸까요?

Question

빛이라는 존재는 상당히 중요합니다. 이 빛의 특성 중에 굴절이라는 현상과 관련하여, 빛이 서로 다른 물질의 경계를 통과할 때 진행 방향이 변하는 현상은 어떤 원리에 의해서 발생되고, 물질의 특성과는 어떤 관계가 있는지 의견 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

빛의 굴절이 일어나는 근본 원인은 빛의 속도가 물질마다 다르기 때문이에요. 진공에서 빛은 초속 약 30만 킬로미터로 달리지만, 물에 들어가면 약 22만 5천 킬로미터로 느려지고, 유리에서는 약 20만 킬로미터까지 떨어지거든요. 이렇게 속도가 달라지는 경계면에서 빛의 진행 방향이 꺾이는 게 굴절이에요.

왜 속도가 달라지면 방향이 꺾이는지는 빛을 넓은 폭으로 나란히 달려오는 파동으로 생각하면 직관적으로 이해돼요. 빛이 비스듬히 공기에서 물로 들어간다고 하면 파동의 한쪽 끝이 먼저 물에 닿아 느려지는데 다른 쪽 끝은 아직 공기 중이라 빠른 속도를 유지하고 있어요. 행진하는 대열에서 한쪽만 모래밭에 빠지면 그쪽 발이 느려지면서 대열 전체가 모래밭 쪽으로 꺾이는 것과 같은 원리예요. 빠른 쪽이 느린 쪽을 앞지르면서 진행 방향 자체가 틀어지는 거예요.

빛이 물질 안에서 느려지는 이유는 물질을 이루는 원자와의 상호작용 때문이에요. 빛은 전자기파라서 물질 안의 전자들을 진동시키거든요. 전자가 빛의 에너지를 흡수했다가 다시 내놓는 과정이 반복되면서 빛이 직진하는 것보다 시간이 더 걸리는 거예요. 빛 자체가 진짜 느려지는 게 아니라 흡수와 재방출 사이의 지연이 쌓여서 겉보기 속도가 줄어드는 거랍니다. 전자가 촘촘하고 반응이 강한 물질일수록 이 지연이 크니까 빛이 더 많이 느려지고 굴절도 더 크게 일어나요.

이 정도를 수치로 나타낸 게 굴절률이에요. 진공에서의 빛의 속도를 해당 물질에서의 속도로 나눈 값인데, 물은 약 1.33, 일반 유리는 약 1.5, 다이아몬드는 2.42 정도예요. 굴절률이 높을수록 빛이 많이 느려지고 방향도 크게 꺾여요. 다이아몬드가 유난히 반짝이는 이유가 바로 이 높은 굴절률 때문이에요. 빛이 안에 들어가면 급격히 꺾이고 내부에서 여러 번 반사된 뒤 빠져나오면서 빛이 사방으로 흩어지거든요.

같은 물질이라도 빛의 색깔에 따라 굴절률이 미세하게 달라요. 파장이 짧은 보라색 빛은 파장이 긴 빨간색 빛보다 물질 안에서 전자와 더 강하게 상호작용해서 조금 더 느려지거든요. 그래서 프리즘에 백색광을 통과시키면 색깔별로 꺾이는 각도가 달라져 무지개처럼 펼쳐지는 거예요. 비 온 뒤 하늘에 뜨는 무지개도 물방울 하나하나가 작은 프리즘 역할을 해서 생기는 현상이에요.

결국 굴절은 빛과 물질의 전자가 만나는 방식에서 비롯되는 현상이에요. 물질의 전자 구조가 빛의 속도를 결정하고 속도 차이가 방향 변화를 만들어내는 거랍니다 :)