얼음이 얼 때 안 쪽은 불투명한 이유가 뭔가요?
집에서 얼음 트레이에 물을 넣고 얼음을 얼리면 안쪽 부분은 불투명합니다. 그런데 어떤 이유때문에 안쪽의 일정 부분만 불투명한 것인가요?
안녕하세요.
얼음이 얼 때 내부가 불투명해 보이는 현상은 주로 물의 결빙 과정에서 발생하는 미세한 공기 방울의 존재에 기인합니다. 이러한 공기 방울은 물이 고체 상태로 전이될 때 물 속에 용해되어 있던 공기가 빠져나오면서 형성되며, 이는 광학적 산란(optical scattering) 현상을 일으켜 빛이 내부에서 여러 방향으로 퍼지게 만들어 얼음을 불투명하게 보이게 합니다.
얼음이 형성되는 과정에서, 물은 냉각되며 점차 고체 상태로 전환됩니다. 이 과정은 일반적으로 수면에서 시작하여 점차 내부로 진행됩니다. 초기에 물이 어는 동안, 물 속에 녹아 있던 공기는 고체 매트릭스에 포획될 수 없게 되며, 이는 수많은 미세한 공기 방울 형태로 결정 주고 내에 남게 됩니다. 이 공기 방울들은 굴절률(refractive index)의 차이를 가져와 빛이 이 방울들에 의해 다양한 각도로 산란되게 만듭니다.
빛이 얼음을 통과할 때, 빛의 경로가 공기 방울에 의해 방해받습니다. 각 공기 방울은 빛을 다른 방향으로 산란시키며, 이 과정에서 빛의 직진 경로가 변경되어 얼음이 불투명하게 보이게 됩니다. 이는 공기 방울이 빛의 굴절률을 변화시키는 현상과 관련이 있으며, 이로 인해 얼음 내부에서 빛이 균일하게 투과하지 못하고 다방향으로 산란되어 결과적으로 불투명하게 보이게 됩니다.
따라서, 얼음의 불투명성은 주로 얼음 내부에 포획된 공기 방울에 의한 광학ㅈ거 산란 때문입니다. 이는 물의 결빙 과정에서 자연스럽게 발생하는 현상으로, 얼음의 광학적 특성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 이러한 이해는 물질의 상태 변화에 따른 광학적 성질의 변화를 설명하는 데 중요한 기초 지식을 제공합니다.안녕하세요. 곽지윤 전문가입니다.
일반 가정집에서 얼린 얼음은 불투명한데, 음식점 등에서 나오는 얼음을 보면 투명한 얼음들이 있습니다. 이렇게 얼음이 투명한지 불투명한지를 결정하는 가장 큰 원인은 물 내부의 불순물이 포함 여부, 얼음의 결정 핵이 여러개인지로 크게 2가지입니다.
먼저 물을 급속하게 얼리게되면 물의 겉면에서 내부 방향으로 얼면서 점점 결정화가 됩니다. 이 과정에서 물 내부의 공기를 포함한 불순물들이 얼음의 중심부에 갇히게 됩니다. 이것이 우리 눈에는 불투명하게 보입니다.
또 다른 이유는 물을 급속하게 얼리게되면 물의 겉면에서 내부 방향으로 얼때 동시에 여러방향에서 얼기시작하기 때문에 결정 핵이 여러개 생기게 됩니다. 결정핵이란 얼음 분자의 구조를 결정하는 씨앗이라고 생각하시면 됩니다. 처음 결정핵이 만들어진 방향과 모양에 따라 그에 맞추어서 다른 물 분자들이 배치되기 때문에 동시에 여러개의 결정핵이 생긴다면 그 구조가 만나는 중심부에서는 물 분자 간의 배치가 틀어지게 됩니다. 이때문에 빛이 투과되지 않고 산란 굴절되면서 우리 눈에 뿌옇게 보이게됩니다.
위의 내용을 참고하면 투명한 얼음을 만들기 위해서는 불순물이 없는 물을 사용(물을 끓여서 사용)하고 결정핵이 적게 생기도록(높은 온도로 천천히 얼리기, 한쪽방향으로 얼도록 아이스박스 등을 활용)해야합니다.
답변이 조금이나마 도움이 되길 바랍니다.
감사합니다.