[실험] CD의 변신, 스펙트럼 분광기 만들기

빛은 무슨 색일까요? 우리 눈으로 보는 빛은 하얀색이지요. 하지만 화창한 날 야외에서 비눗방울을 불면 비눗방울에 빨주노초파남보, 무지개 색이 생기는 것을 볼 수 있어요. 한낮에 아스팔트 바닥에 흘려져 있는 기름에서도 무지개를 볼 수 있지요. 또 CD나 DVD 뒷면을 형광등에 비춰 봐도 무지개를 발견할 수 있어요. 빛은 어떤 경우에 이렇게 여러 가지 색으로 나눠져 보이는 걸까요? 또 여러 가지 색으로 나눠져 보이는 이유는 무엇일까요?

빛은 전자기파의 일종으로, 여러 가지 색깔이 혼합돼 있어요. 각 색깔에 따라 파장이 다르지요. 때문에 직진하다가 좁은 틈이나 장애물을 만나면 각기 다른 각도로 나눠져요. 이 때 여러 가지 색의 띠가 나타나는데, 이것을 스펙트럼이라고 해요.

프리즘을 이용하면 빛의 스펙트럼을 잘 관찰할 수 있어요. 프리즘은 빛의 굴절을 잘 보여주기 위해 유리 등으로 만든 투명한 물체예요. 햇빛을 프리즘에 통과시키면 위에서부터 순서대로 빨주노초파남보 7가지 무지개 색으로 나뉘어진답니다. 이 7가지 빛을 ‘가시광선’이라고 해요. 맨 위에 보이는 빨간색이 가장 작은 각도로 꺾이고 맨 아래 보이는 보라색이 가장 큰 각도로 꺾인답니다. 이렇게 빛이 프리즘에 부딪혀 굴절하면서 여러 색의 빛으로 나뉘는 현상을 ‘빛의 분산’이라고 해요.

이런 현상을 이용해 재미있는 실험을 할 수 있어요. 쓰지 않는 CD를 이용해 스펙트럼 분광기를 만들어 볼까요?


[교과과정]
초 6-1 빛
중 2 빛과 파동

[학습주제]
빛의 굴절과 분산
빛의 스펙트럼 관찰하기




※ 분광기를 만들 때 상자 안쪽으로 낸 구멍에서만 빛이 들어오도록 상자의 나머지 이음새 부분은 검정 테이프로 잘 막아줘야 합니다. 그래야 빛의 스펙트럼을 더욱 잘 관찰할 수 있답니다. 분광기로 태양빛을 볼 때는 직접 보면 안돼요. 태양에서 벗어난 밝은 하늘을 보거나 흰 벽에 반사된 빛을 봐 주세요.

분광기로 빛의 스펙트럼을 관찰할 수 있는 이유는 무엇일까요? CD 표면은 매끈해 보이지만 가운데를 중심으로 나선형의 촘촘한 선이 그어져 있어요. 때문에 CD를 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 좁은 틈이 파원이 되어 여러 각도로 퍼져 나가게 돼요. 이런 현상을 빛의 회절이라고 해요. 이때 빛의 파장에 따라 퍼지는 각도에 차이가 생겨요. 또 옆에 있는 틈으로 들어온 빛과도 만나지요. 따라서 CD를 사이에 두고 빛이 들어오는 반대편에서는 다양한 파장을 갖는 빛의 파동이 섞이게 돼요. 이 때 파동의 모양이 정반대이면 상쇄되고, 나머지 빛의 파동은 합성돼 우리 눈에 스펙트럼으로 보이게 되는 거랍니다.

일반적으로 CD 표면의 선 사이 간격은 1.6㎛(1㎛=100만분의 1m)예요. 이는 1mm당 6백여 개의 선이 그어져 있는 것과 같아요. CD 표면에 평행으로 들어온 빛은 선이 그어진 곳과 그렇지 않은 곳에서 일부는 흡수되고, 일부는 산란되거나 투과된답니다.

분광기로 태양빛을 볼 때와 백열전구를 볼 때, 형광등이나 가로등(나트륨등)을 볼 때 스펙트럼이 다른 것을 관찰할 수 있어요. 그 이유는 무엇일까요? 스펙트럼에도 두 가지 종류가 있어요. 무지개와 같이 연속적인 색의 띠는 연속 스펙트럼이라 하고, 나트륨 전등이나 색이 있는 전등에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시킬 때 나타나는 몇 가지 색의 띠는 선 스펙트럼이라고 해요.

햇빛, 백열전구, 환등기 빛 등의 백색광을 분광기로 보면 연속 스펙트럼을 관찰할 수 있어요. 형광등, 백열등, 손전등의 빛은 모두 무지개 색이 나타나지만, 형광등의 빛은 푸른색 부분이 강하게 나타나고 백열등이나 손전등의 빛은 붉은색 부분이 강하게 나타난답니다.

빛의 회절 현상은 현재 각종 산업, 특히 반도체나 디스플레이 장치와 같은 각종 광학장치와 소자 분야에서 널리 이용되고 있답니다.

[다운로드 : CD분광기 도면]

글 : 유기현 과학칼럼니스트
저작자 표시 비영리 변경 금지
신고
물에만 들어가면 사라진다! 마술카드 만들기

물속에 들어가면 유난히 다리가 굵고 짧아 보이죠? 물이 담긴 컵에 빨대를 꽂으면 빨대가 꺾여 보이기도 합니다. 이런 현상이 나타나는 이유는 무엇일까요? 바로 ‘빛의 굴절’ 때문이랍니다.

빛은 일반적으로 직진하는 성질을 가지고 있어요. 그런데 어떤 물질을 통과하는지에 따라 직진하는 속도가 달라지지요. 때문에 한 물질에서 다른 물질을 통과할 때 두 물질의 경계면에서 빛이 꺾이는 굴절현상이 나타난답니다. 빛이 굴절되는 정도는 굴절률이라고 해요. 굴절률이 큰 물질을 통과할수록 빛의 속도는 느려져요. 물속에 있는 물체가 원래보다 떠 보이거나, 물에 꽂은 빨대가 꺾여 보이는 이유도 공기와 물의 굴절률이 다르기 때문이에요.

이런 빛의 성질을 이용하면 특별한 기술 없이도 신기한 마술을 선보일 수 있어요. 물속에 담그기만 하면 사라지는 마법의 카드! 한번 만들어 볼까요?

[교과과정]
초 3-2 빛과 그림자
초 6-1 빛
중 2 빛과 파동

[학습주제]
빛의 굴절과 전반사 현상 이해




실험에서 물속에 넣은 카드를 비스듬하게 보면 물에 잠긴 부분이 사라지는 것을 볼 수 있어요. 이 마술의 원리는 바로 ‘전반사’예요. OHP 필름 표면에서 반사된 빛이 굴절되지 못하고 전반사되기 때문에 우리 눈에는 마치 카드가 사라진 것처럼 보이게 된답니다. 카드를 앞뒤로 움직이면서 관찰해 보세요. 전반사 현상을 잘 관찰하려면 실험을 하는 동안 같은 위치에서 관찰해야 한답니다.

물질의 표면에서는 빛의 굴절뿐 아니라 반사도 함께 일어나요. 간혹 밀도가 높은 물질에서 밀도가 낮은 물질로 빛이 이동할 때 입사각에 따라 빛이 물질 안으로 전부 반사돼 밖으로 빠져 나오지 못하는 경우가 생기는데, 이를 ‘전반사’라고 해요.

전반사는 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 들어갈 때 경계면에서 굴절되지 않고 모두 반사되는 현상을 말해요. 빛의 입사각이 특정 각도보다 클 때 일어난답니다. 빛을 조금의 손실도 없이 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 보내는 광섬유는 전반사를 이용한 대표적인 예지요.

광섬유는 빛을 이용해 정보를 전달하는 섬유로, 빛의 손실이 없기 때문에 에너지 손실이 매우 적어 송수신하는 데이터의 손실률이 낮고 외부의 영향을 거의 받지 않는다는 장점이 있어요. 광섬유 중심부에는 굴절률이 높은 유리, 바깥쪽은 굴절률이 낮은 유리로 이루어져 중심부 유리를 통과하는 빛이 외부로 빠져나가지 못하고 전반사가 일어난답니다. 광섬유 내부에서 전반사되는 빛은 그 모양 그대로 안쪽 벽면을 따라 반사돼요.

또 다른 예로 다이아몬드를 들 수 있어요. 다이아몬드의 반짝이는 광택도 내부에서 전반사된 빛이 만들어낸 마술이랍니다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
저작자 표시 비영리 변경 금지
신고
1 
BLOG main image
생활에 밎줄 긋는 과학이야기♡ -KISTI의 과학향기-
by 과학향기

카테고리

분류 전체보기 (1178)
과학향기 기사 (892)
과학향기 이벤트 (1)
과학향기 독자참여 (1)
이런주제 어때요? (1)

달력

«   2017/10   »
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31        
tistory!get rss Tistory Tistory 가입하기!
Clicky Web Analytics

티스토리 툴바