빛과 전파에 대하여

목차

1. 빛이란?
1) 정의
2) 전자파인 빛
3) 빛의 발생
4) 빛의 종류

2. 빛의 성질
1) 빛의 전파
2) 빛의 반사
3) 빛의 굴절
4) 빛의 분산
5) 빛의 산란

3. 빛의 이중성 - 빛의 파동성과 입자성
1) 빛의 입자성
2) 빛의 파동성

4. 빛의 응용
1) 광섬유
2) 광학 현미경

본문내용

있다. 이 이론이 없다면 방출과 흡수에서의 빛의 동작을 명확하게 설명할 수 없다. 그러나 아직까지 이 이론만으로는 빛의 다른 많은 현상을 설명할 수 없다.
<그림 6. 원자에서 전자의 방출>
2) 빛의 파동성
파동성은 빛의 전파와 전송을 설명한다. 또한 광선(light beam)들이 자기 외의 다른 광선을 방해하지 않고 서로를 통해 전달되는 이유를 설명한다. 두 개의 서치라이트가 서로 교차될 때 일어나는 현상을 생각해 보자. 마치 자기 외의 다른 서치라이트가 존재하지 않는 것처럼 각 서치라이트는 중복면을 통과해서 빠져 나온다. 만약 빛이 입자로만 구성되어 있다면 이러한 현상은 발생하지 않는다. 또한 빛의 간섭 현상을 고려해 보자. 단일 광원(source)으로부터 빛이 두 개의 광선으로 분할되고, 이 두 광선이 서로 다른 경로를 전파해 공통의 한 지점에 도달되었다면, 이 두 광선은 서로 간섭을 일으킨다. 이 광선들의 위상에 의존해, 이 두 광선은 공통의 지점에서 빛의 강도를 증가 또는 감소시킨다. 이 특성은 빛의 파동성에 의해서만 설명되어진다.
<그림 7. 빛의 파동성>
⇒ 따라서 빛의 성질을 완전하게 설명하기 위해서는 빛의 입자성과 파동성 모두를 이용해 야 한다. 즉 다루는 문제에 따라 이 두 이론이 적절히 이용되어야 한다.
4. 빛의 응용
1) 광섬유
모든 광섬유는 전반사에 의하여 빛을 도파시킨다. 따라서 광섬유의 원리를 고찰하기 위해서는 서로 다른 두 매질간의 경계면에서 일어나는 전반사 및 굴절현상, 그중에서 특히 전반사 현상을 이해하는 것이 중요하다.
그림 8과 같이 굴절률 n1의 매질에서 Φi의 각도로 입사한 광이 Φt의 굴절각으로 굴절률 n2의 매질에 진행하였다면, 이 때 Φi, Φt, n1, n2의 사이에 다음의 관계가 성립한다.
<그림 8. 스넬의 법칙>
이것을 스넬의 법칙이라 한다. 이에 의해 굴절률이 작은 매질에서 큰 매질로 진행할 때에는 경계면에서 멀게 진행하고, 반대로 굴절률이 큰 매질에서는 작은 매질로 진행할 때에는 경계면에서 가깝게 진행함을 알 수 있다.
<그림 9. 두 매질의 경계면에서 빛의 특성>
그림 9와 같이 굴절률 n1을 갖는 매질 1과 굴절률 n2를 갖는 매질 2와의 경계면을 고려하면, 스넬의 법칙에 의하여
라는 관계가 성립된다. 즉, θi = θr로서 입사각과 반사각은 서로 같다. 만약 n1이 n2 보다 큰 경우에는 θt가 직각이 되어 매질2에서 굴절현상이 생기지 않는 어떤 임계각 θc가 존재하고, 다음 식을 만족한다.
두 개의 유전체간의 경계면에서 반사되는 광의 양은 광섬유를 이용한 광통신 시스템에서 중요하다.
<그림 10. 각종 경계면서에서의 반사>
그림 10에서 광선이 광원에서 나와 A의 광섬유 코어로 입사하고 광섬유 B를 통해서 C로 나온 광이 광커넥터(optical connector)나 광 기계식 접속자(optical mechanical splice)를 통해 다음의 광섬유 D로 입력되었다고 가정한다. 이와 같은 상황은 광원에서 광섬유 A로 결합되는 공기와 유리사이의 경계가 있고, 광섬유 B의 코어와 이를 둘러싼 클래딩의 경계면, 연결된 두 광섬유의 공기층으로 인한 공기와 유리 사이의 두 개의 경계면이 있다. 광섬유의 입력단과 커넥터 사이에서 반사되는 광은 전송되는 전력의 감소를 가져오므로 작아야하고 전체적인 시스템의 전력을 계산할 때 이들의 손실을 모두 포함시켜야 한다. 반면에 광섬유의 B점에서 즉 코어와 클래딩의 경계에서 내부 반사는 광섬유 내에서 광을 유지하기 위해서 커야 한다.
2) 광학 현미경
그림 11에서 보는 것과 같이 대물 렌즈는 초점보다 조금 바깥쪽에 있는 물체의 도립실상(倒立實像)을 접안 렌즈의 앞쪽 초점 가까이에 만들고 접안 렌즈는 돋보기처럼 이 상을 확대한다. 지금 대물 렌즈, 접안 렌즈의 초점 거리를 각각 fo, fe, 대물 렌즈의 플렌지연으로부터 접안 렌즈까지의 길이(광학통길이)를 Δ, 육안의 명시 거리를 250㎜라 하면 대물 렌즈의 배율은 Δ/fo, 접안 렌즈의 배율은 250/fe가 된다.
① 대안렌즈 : 돋보기처럼 작용하여 시료를 확대한다.
② 시야렌즈 : 시야를 넓히는 작용을 한다.
③ 대물렌즈 : 현미경은 초점거리가 짧은 대물렌즈에 의해서 생긴 물체의
확대상을 돋보기처럼 작용하는 접안렌즈에 의해서 확대하여 관찰한다.
즉, 광원으로보터 나온 빛이 반사경을 통해 재물을 통과하면 대물렌즈가 최초의 상을 생성하고 그것을 접안렌즈가 다시 확대하게 된다.
(1) 광학 현미경의 상 생성
상을 만들려면 광원, 표본, 렌즈의 3가지 요소가 필요하다. 광학 현미경의 광원은 가시광선이고, 전자현미경의 광원은 텅스텐 필라멘트에서 방출된 전자선이 된다. 이러한 광원의 차이에도 불구하고 두 현미경은 같은 방법으로 상을 생성한다. 광원의 파장은 관찰하는 상의 크기를 결정하기 때문에 현미경의 중요한 요소이다. 물체가 파동을 교란시킬 수 있는 능력은 파동 속에 있는 물체의 크기에 의존한다. 이러한 원리는 광원의 파장이 얼마나 작은 물체를 관찰할 수 있느냐에 대한 한계를 설정하기 때문에 현미경에서 아주 중요하다. 파장과 물체의 크기 관계를 이해한다면 왜 아주 작은 물체는 전자 현미경에 의해서만 보여지는지를 알게 될 것이다. 전자의 파장은 양자의 파장보다 훨씬 짧다.
(2) 광학 현미경의 광학적 원리
광학 현미경은 전자 현미경과 많은 차이가 있지만 상을 형성하는데는 비슷한 원리를 이용한다. 그 원리에서 가장 중요한 것은 빛과 전자 모두가 파동과 같다는 것이다. 초점에 맺힌 상은 간섭이라는 파동의 성질을 이용한 것이다. 광학 현미경은 유리렌즈를 이용하여 빛의 방향을 정하고 간섭시킨다. 참고로 전자 현미경은 전자의 방향을 정하기 위해 전자장을 이용하는 것이다.
<<출처>
http://www.science.go.kr/center/html/nsm04010601_05.html
http://pia.new21.org
http://cafe.naver.com/jy5008/18
http://cafe.naver.com/sensor/
7http://seis.scienceall.com/book_file/ke27/ke027-000.htm

키워드

빛,   전자파,   광원,   빛의 성질,   빛의 이중성,   파동성,   입자성