[강신종 쌤의 ‘재미있는 과학이야기’(2)] 빛의 굴절과 파장

"무지개는 빛이 물방울에 의해 굴절되어 나타나는 현상이죠
뉴턴이 처음으로 프리즘을 통해 빛의 파장을 알아냈어요"

“소나기 한줄기 지나가더니 / 먼 하늘에 무지개가 떴네. / 초등학교 때 열심히 외었던 / 빨 주 노 초 파 남 보… / 색동옷 꼬까옷만큼이나 고운 / 유년의 꿈 보여 주려고 / 서쪽 하늘에서 비춰 주네./ 세월이 훌쩍 흘러간 지금도 / 이상과 현실이 굴절되어 / 선명하게 활을 그리며 다가오네.” (‘문인회 작품집’ 김길순)

프리즘은 빛을 굴절시킨다

1447년 5월에 간행된 ‘용비어천가’를 비롯해 시와 노래에 자주 등장하는 일곱 빛깔의 무지개는 태양의 반대쪽에 비가 내리면 나타난다. 비가 내린 뒤 햇빛이 공기 속에 떠다니는 수많은 물방울들을 통과하면서 빛이 굴절되어 만들어지는 것이다.

불꽃 반응 실험에서 노란색이 방출되면 이것은 나트륨(Na) 원소 때문이다. 비슷한 종류의 노란색 계열 불꽃색이 섞여 있어도 그 속에 어떤 원소가 들어 있는지를 ‘선 스펙트럼’ 분석을 통해 정확하게 구분할 수 있다. 각각의 원소들은 서로 다른 특유의 선 스펙트럼을 갖는다. 사람과 비유하면 선 스펙트럼은 손바닥 지문과 같은 역할을 한다. 그래서 우주와 물질을 구성하는 원소들을 명확하게 구별하기 위해서는 스펙트럼의 이해가 중요하다. 빅뱅이론을 이해할 때도 스펙트럼 분석이 중요하다.

프리즘은 빛을 굴절시킨다. 굴절된 빛이 파장에 의해 배열된 것을 스펙트럼이라고 한다. 프리즘은 원인이고 스펙트럼은 결과라고 말할 수 있다. 스펙트럼을 올바로 분석하고 이해하기 위해서는 프리즘을 알아야 한다. 일반적으로 프리즘은 유리로 만든다. 모양은 삼각기둥 형태다. 빛이 프리즘을 통과하면 프리즘으로 들어갈 때와 프리즘에서 나올 때 두 번 굴절하게 된다. 프리즘을 통과한 후 빛은 자외선, 가시광선, 적외선 등 다양한 파장 영역으로 분리되지만 사람의 눈으로 확인 가능한 영역이 가시광선이기 때문에 ‘빨주노초파남보’ 일곱 가지 색 띠를 볼 수 있는 것이다.

짧은 파장은 크게 굴절된다

과학자 ‘아이작 뉴턴’은 스펙트럼(spectrum)이라는 단어를 처음 사용했다. 1666년 케임브리지대의 한 연구실에서 햇빛을 프리즘에 통과시켜 무지개와 같은 연속된 색이 나타나는 현상을 관찰했다. 가시광선이 프리즘에서 굴절되자 가시광선은 여러 파장의 빛으로 분리됐다. 뉴턴은 이런 분리를 통해 가시광선의 색과 파장의 관계를 발견했다. 빛은 자외선, 가시광선, 적외선 등 서로 다른 파장 영역의 빛으로 이뤄져 있다는 점도 분석됐다. 가시광선 중 짧은 파장(380㎚, 나노미터=10억분의 1m)의 보라색 영역의 빛은 크게 굴절했으며, 긴 파장의 빨간색(780㎚) 영역의 빛은 작게 굴절했다.

우주의 기원을 설명하는 빅뱅 이론도 물질에서 방출되는 빛을 활용한다. 우주의 탄생에서 현재에 이르기까지 알게 된 모든 정보를 우주로부터 도달하는 빛을 스펙트럼으로 분석해 추론하고 증명했다.

우리가 잘 알듯이 수소(H)와 헬륨(He)은 빅뱅 과정에서 만들어졌고, 현재 우주를 구성하는 기본 원소가 됐다. 태양계를 비롯한 모든 항성과 지구상에 존재하고 있는 생명체와 지각을 이루는 다른 원소들도 항성의 진화 과정에서 만들어졌다. 즉 우주에서 ‘방출되는 빛’ ‘지구에 도달하는 빛’을 분석하면 우주의 기원과 항성의 기원, 별의 나이, 별의 탄생과 죽음 등에 대한 중요한 정보를 얻게 된다. 빛은 우리에게 많은 이야기를 해준다. 다음 호에서 빅뱅 이야기를 더 해보자.

◆통합과학 성취기준1

지구와 생명체를 비롯한 우주의 구성 원소들이 우주 초기부터의 진화과정을 거쳐 형성됨을 물질에서 방출되는 빛을 활용하여 추론할 수 있다.

강신종 < 용화여고 교사 >