빛의 성질과 응용

빛은 파장에 따라 분류되는데 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스 (x)선, 감마 (γ)선의 순으로 파장이 짧아지며 에너지가 커진다 (E = hν = hλ/c).

마이크로파의 파장은 3×108 Hz에서 3×1011 Hz이며 파장이 긴 UHF [ultrahigh frequency: 3×108 Hz (300 MHz)～3×109 Hz (3,000 MHz)]와 짧은 SHF [superhigh frequency: 3×109 Hz (3 GHz)～3×1011 Hz (300 GHz)]로 나누어진다. 마이크로파는 클라이스트론 (klystron)이나 마그네트론 (magnetron)에 의하여 발생하며 전자나팔이나 파라볼라안테나에서 방출된다. 응용분야는 비교적 넓고 레이더, 다중통신, 텔레비전 방송중계, 메이저, 마이크로레인지 등에 사용된다.

마이크로파는 물 등의 가볍고 극성이 있는 분자를 빠르게 회전시키므로 열이 발생하고 이 사실을 이용하여 음식물을 가열 및 조리하는 가전제품이 마이크로레인지이다. 마이크로파는 알루미늄 등의 금속에 흡수되어 열을 발생하므로 마이크로레인지에 음식물이 들어있는 알루미늄은박을 넣어 작동시키면 상당히 위험하며 화재가 발생할 수도 있다.

학문분야에서는 분자의 회전운동 연구와 구조 확인에 마이크로파가 이용되고 있다. 최근에는 마이크로파를 사용하여 우주에 존재하는 생명전구물질들을 조사하는 전파분광학의 발달로 생명의 기원에 대한 여러 의문점들이 점점 규명되고 있다.

마이크로파를 한 방향으로 집중하여 발산하여 항공기나 선박 등에 반사되어 돌아오는 반사파를 포착하여 목표물의 위치, 크기 등을 알아내는 장치가 레이더이다. 반사파가 되돌아올 때, 내보내는 파와 겹쳐서 구별이 곤란하게 되는 것을 방지하기 위하여 ① 도플러 효과 (Doppler effect)를 이용하는 방법, ② 주파수를 시간에 따라 변경하는 방법, ③ 매우 짧은 시간 계속되는 마이크로파 (펄스파)를 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

기차가 가까워지면 기적소리가 커지다가 나를 지나쳐 멀어지면 작아지는 것을 경험했을 것이다. 도플러효과는 음을 내는 물체와 사람이 상대적으로 이동할 때의 음파의 진동수와 상대속도 사이의 관계에 대한 효과이다. 자세하게 설명하면 사람과 음원 사이의거리가 가까워지면 음의 진동수는 증가하여 고음으로 들리며 멀어지면 감소하여 저음으로 들린다. 발광하는 물체가 멀어지면 진동수가 감소하여 빨간 색 쪽으로 이동하며 (적색편이), 가까워지면 진동수가 긴 파랑색 쪽으로 이동하는 현상 역시 도플러효과에 의한 것이다. 1842년에 오스트리아의 C. J. 도플러 (1803~1853)에 의하여 발견되었다. 별들의 색이 적색편이를 일으키는 현상에서 우주가 점점 팽창하고 있다는 사실이 확인되었다. 앞으로 계속하여 팽창할지 또는 어느 시점에서 다시 축소할지는 아직 알 수 없지만 (Big Bang 이론).

1925년에 전리층의 존재를 증명하기 위하여 영국의 E. 애플턴 (1892～1965)에 의해 레이더가 최초로 실험되었으며 그 후 R. 왓슨 와트를 중심으로 한 과학단체가 레이더를 이용하여 작은 목표물을 검출하는 연구에 전력을 기울여서 1935년에 처음으로 실험용 펄스 레이더로서 약 30마일 거리에 있는 비행기를 추적하는 데 성공하였다. 이것을 계기로 해서 1938년에는 이미 영국의 방공 레이더망의 중추가 완성되어 실용화되고 있었는데, 이때의 레이더 파장은 6~13 m, 최고 출력은 100 kW 정도, 유효거리는 100～200 km이었다. 1940년 영미 군사기술자료 교환협정에 따라 마이크로파 레이더의 연구개발은 주로 미국이 담당하였다. 제2차 세계대전이 끝날 때까지는 주로 군사적인 목적에 사용되었으며 1946년부터 레이더 기술의 평화적 이용이 시작되었다. 타이타닉호의 침몰이 일찍 레이더가 개발 이용되었다면 일어나지 않았을지도 모른다.

적외선은 분자들이 진동을 할 때 방출되거나 흡수되며 파장에 따라 세 종류로 구분한다. 파장이 0.75 3μm (1μm = 1×106 m)의 범위에 있으면 근적외선, 325 μm이면 적외선, 25 μm 이상이면 원적외선이라 한다. 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용을 가지고 있으며 이 때문에 열선이라고 한다. 적외선을 분자에 쪼이면 각 분자에 고유한 진동운동의 주파수를 가진 적외선을 흡수하므로 분자의 구조 확인에 이용된다.

실생활에의 이용은 주로 적외선의 강한 열작용과 관련이 많다. 각종 재료, 공산품 및 농수산품의 건조와 가열은 적외선의 강한 열작용을 이용한 예들이다.

적외선은 파장이 길기 때문에 자외선이나 가시광선에 비하여 미립자에 의한 산란효과가 적어서 공기를 비교적 잘 투과하므로 항공사진측량 (0.8㎛), 원거리사진, 야간촬영, 거리측정, 적외선 감시 장치 등에 사용되고 있다. 소독, 멸균과 관절 및 근육 치료에 근적외선이 많이 쓰이고, 10㎛의 적외선레이저빔은 외과수술, 종양의 제거, 신경의 연결 등에 실용화되고 있다. 특히 파장이 긴 원적외선은 피부 깊숙이 침투하므로 찜질방이나 사우나 등에서 흔히 사용 된다.

그 밖에 자동경보기, 문의 자동개폐기 등에 적외선과 검출기를 조합하여 쓰기도 한다. 동물 특히 뱀은 적외선을 감지할 수 있는 제3의 눈을 가지고 있고 동물을 사냥할 때 이용한다. 이 사실을 응용하여 비행기에 적외선 감지기를 장착하여 운행을 안전하게 하는 데 많은 도움을 받고 있다.

대기 중에 존재하는 이산화탄소 등의 온실기체는 적외선을 흡수하여 대기 온도를 상승하게 한다. 최근에는 온실기체의 양이 급증하여 빙하가 녹는 등의 심각한 문제를 만들고 있다.

가시광선은 이름 그대로 우리가 볼 수 있는 빛이다. 파장은 대체로 380～770 nm (1nm = 1 × 109 m)의 범위에 있으며 보랏빛이 가장 짧고 빨강 빛이 가장 길다. 발광체의 온도에 의하여 최대방출파장이 정해지며 태양처럼 보통의 항성은 표면온도가 1,000도에서 10,000도 사이이므로 가시광선이 가장 많이 방출된다.

가시광선의 일곱 빛을 모두 합치면 흰색으로 보이며 색을 가진 물체는 그 색을 가장 많이 반사한다. 즉, 빨간 색 물체는 입사된 일곱 가지 빛 중에서 빨강 빛을 주로 반사하므로 빨갛게 보인다. 빛이 눈에 들어오면 시각세포를 자극하여 전류가 생성된다. 빛에 따라서 전류의 세기가 미세하게 다르며 이 차이로 뇌세포에서 색을 식별한다. 색명은 이 과정 중 어느 곳에 문제가 생겨 색을 구별 못하게 된 것이다.

가시광선과 아래에서 소개할 자외선을 분자가 흡수하면 최외각전자들이 에너지를 흡수하여 들뜨게 된다. 이 들뜬 상태가 다시 빛을 방출하기도 하는데 이 현상을 형광 또는 인광이라고 하며 형광등, 형광도료, 형광표백제, 야광시계 등에 응용되고 있다.

자외선은 가시광선보다 파장이 짧고 따라서 더 큰 에너지를 가지고 d있다. 자외선의 에너지는 화학결합을 파괴할 있을 정도이므로 자외선을 직접 쪼이면 모든 생명체는 사라지고 만다. 광합성에 의하여 대기에 산소가 축적되어 성층권에 오존층이 생성되어 생명체에 해로운 자외선이 차단되기 전에는 생물들이 바다 속에 생존 번식하였지만 오존층이 만들어져 자외선이 차단되자 육지에도 서식할 수 있게 되었다.

오존층의 흡수 정도에 따라 UV-A, UV-B, UV-C로 구분된다. 파장이 긴 UV-A (320~400 nm)는 오존층에 흡수되지 않고 UV-B (280~320 nm)의 대부분은 오존층에 흡수되지만, 일부는 지표면에 도달한다. 파장이 짧은 UV-C (100~280 nm)는 오존층에 완전히 흡수된다. 최근에는 인간이 만든 물질들 특히 CFC에 의하여 오존층이 파괴되어 오존구멍이 생기기 시작하였고 전 세계적으로 대책 마련에 주력하고 있다.

자외선은 피부를 태우는데 사용되지만 너무 과도하게 쪼이면 피부암 등의 원인이 될 수 있으므로 야외에 나갈 때는 자외선 차단제를 바르는 것이 피부보호에 도움이 된다.

X선은 자외선보다 파장이 더 짧고 고속으로 운동하는 전자를 표면에 충돌시키면 발생한다. 1895년에 독일의 물리학자 W. 뢴트겐 (1845～1923)에 의하여 발견되었고 그는 X선이 보통의 빛보다 투과력이 강하는 것을 발견하고 상자 안에 있는 동전의 상과 그의 아내 손뼈의 영상을 얻었다. 그 후 의학에서 인체 내부를 촬영하는 데 활용되었으며 부러진 뼈를 진단하는데 사용된다. 1912년에 영국의 W. H. 브래그 (1862~1942)가 X선을 이용하여 고체결정의 구조를 규명한 이래로 많은 생체고분자 특히 단백질, 효소 및 바이러스의 구조가 밝혀졌다.

X선은 자외선보다 파장이 짧아 에너지가 더 크다. 따라서 생명체에 더 많은 해를 끼친다. 의학용 X선에 여러 해 동안 노출되어도 해가 거의 없지만 과다하게 노출되면 암에 걸릴 위험이 증가한다. 다행히 대기에서 X선을 효과적으로 흡수하므로 진료과정에서 노출되는 양은 극히 적다.

원자핵 내부에서