16 장. 광파와색 1
16.1 전자기파 Electromagnetic wave 빛, 라디오 전파, 마이크로파, X-선 등은 전자기파의 일종 2
전자기파생성원리 도선에교류전원을연결 ( 그림 ) - 정현파발생기 (sine-wave generator) 전류에의해자기장발생 전류의변화에의해자기장변화 변화하는자기장은전기장생성 이과정의반복에의해파원에서부터멀리떨어진공간의대전된입자에영향을준다. 3
전자기파의크기와방향 자기장이수평면에있다면, 변하는자기장에의해만들어지는전기장은수직면에있다 두장은서로수직이며, 진행하는방향에대해서도수직이다. 전자기파는횡파 4
전자기파의속도 맥스웰 (Maxwell) 의이론에의하면전자기파의속도를예측 v 1 0 0 3 10 8 m/s c 이는빛의속도와같아빛이전자기파의일종이라는것을알았다. v f c permittivity 상수 o = 8.85 x 10 12 F/m Permeability 상수 o = 4 x 10 7 N/A 2 전자기파의속도는유리나물등다른매질에서는속도가느려진다. 빛의속도를측정하기위한피조의톱니바퀴장치. 빠르게도는바퀴가조금회전하였을때돌아오는빛은바퀴의톱니에의해차단된다. 5
전자기파스펙트럼 라디오파와빛은모두전자기파 전자기파들의속도는같지만파장과주파수가다르다. 색의파장은약 4 10-7 m( 보라 )~7 10-7 m( 빨강 ) 6
예제 16.1 다음의주파수는 a. 파장이 10m인라디오파? b. 파장이 6X10-7 m인파? 8 v c 310 m / s a) 10m f c 8 310 m / 10m s 310 7 Hz b) 610 7 m f c 8 310 m / s 7 610 m 510 14 Hz 7
16.2 파장과색깔 가시광선영역의빛은파장이 380nm ~ 750nm 인전자기파이다. 뉴턴의실험 : 태양빛이첫프리즘에의해여러색으로분리되었다가두번째프리즘으로다시백색광으로합쳐진다. 빛이여러가지색으로분광됨을보여준다. 여러가지색이모이면백색광이됨을보여준다. 8
눈의구조 가시광선은어떻게눈에보이는가 수정체 각막 망막 조리개 시신경 빛은각막과수정체에의해초점이맞춰져망막에상이맺힌다. 망막에는간상세포 ( 명암구별 ) 와원추세포 ( 색깔구별 ) 으로구성 원추세포는 S( 짧은파장 ), M( 중간파장 ), L( 긴파장 ) 원추세포로구성 만약 580nm 파장이빛으로들어오면? M과 L 원추세포를동시에자극 노란색으로감지 ( 초록과빨강빛의혼합 ) 9
물체의색깔은물체의표면에서반사되어나오는빛에의해감지된다. 거울면반사 색에관계없이반사의법칙적용 ( 반사전후의빛동일 ) 발산적반사 일부투과후반사 ( 선택적으로흡수되어반사 ) 거울면반사 발산적반사 10
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16.3 광파의간섭 interference 2중슬릿에의한영의간섭실험 Young s double slit experiment 빛이파동이라고판단하는데결정적인역할 단색광원에서나온빛은첫번째슬릿을통과시키면빛은퍼져나간다. 이빛을이중슬릿을통과시키면두개의빛으로나뉘어퍼져나간다. 두빛은슬릿을통과할때같이출발하므로위상 (phase) 이같다. 스크린에비치면, 그림처럼밝고어두운간섭무늬가나타난다. 12
보강및상쇄간섭 두빛이이중슬릿을출발할때는위상이같지만스크린에도착할때는 그림처럼파의경로가달라두빛에위상차이가생긴다. 경로차가반정수배파장일때 : 위상이반대, 상쇄간섭 ( 어두운무늬 ) 경로차가정수배파장일때 : 위상이동일, 보강간섭 ( 밝은무늬 ) 13
간섭무늬의간격 스크린상에서밝은무늬의간격 n d y x n : 중심에있는밝은무늬를 (0차) 라하고멀어질수록차수를하나씩증가시킨다. d : 슬릿의간격 y : 스크린의중심에서의거리 x : 슬릿과스크린의중심까지의거리 보강간섭 ( 밝은부분 ) 스크린의중심부 경로차가완전한정수배일경우 14
x 두경로의경로차가위상이같으면 ( 파장차이, 360 o ), 보강간섭이일어난다. d y x n λ 두경로의경로차가위상이반대면 ( 반파장차이, 180 o ), 상쇄간섭이일어난다. y d x 흔히 x >> d, y 임. 이럴경우, sin tan = y/x ( n 1/2) λ 15
예제 16.2 파장 630mm인빨강빛이간격이 0.5mm 떨어진두슬릿을통과한다. 슬릿으로부터 1m 떨어진스크린에맺히는간섭무늬를관찰하고있다. 두번째 (2차) 밝은무늬는스크린의중심에있는밝은무늬 (0차) 로부터얼마나떨어져있는가? 7 630mm 6.310 m x 1m n 2 y? d 0.5mm 510 4 m n d y x 7 nx 2(6.310 m)(1m ) 3 y 2.510 m 2. 5mm 4 d 510 m 16
얇은막의간섭 반사에의한간섭 비누방울, 얇은비누막, 기름막에서여러가지색깔띠현상 얇은막의위쪽면과밑면에서반사되는빛의간섭에의한결과 굴절률이작은매질에서굴절률이큰매질로입사할때, 반사파는위상차가 180 o 생긴다. 17
( 15 장에서배운내용중에서 ) 18
얇은막의간섭 얇은막에서의경로차 2L 반사파가이미반파장의위상차가있음. 따라서경로차가반파장이되면, 최종적으로파장차이가되어서보강간섭이되고, 경로차가파장차이가되면, 최종적으로반파장차이가나서상쇄간섭이된다. 19
기름막의색깔 햇빛은단색광원이아니고가시광선 간섭의효과는경로차와함께빛의파장에달려있다. 어떤파장의빛에는상쇄간섭이일어나지만, 또다른파장의빛에대해서는보강간섭이일어날수있다 기름막의두께에따라달라진다 기름막의두께가변하고있다면그림처럼위치에따라색깔이달라진다. 20
공기막에의한간섭 두장의유리판을겹쳐놓으면그사이에는공기막이형성 공기막의두께의변화에따라다양한색깔을관찰할수있다. 이간섭무늬의패턴 광원의파장, 공기막의두께, 바라보는각도에따라달라진다. 21
안경표면의반사방지용코팅 얇은막에의한간섭효과 : 상쇄간섭을일으키는조건만족 막의안쪽에서반사되는빛은막을두번가로지르는셈이되므로막의두께가 1/4 파장이면막의앞쪽에서반사되는빛과의경로차는반파장이되므로상쇄간섭이일어나는조건을만족한다. 두파동의진폭이동일하다면상쇄간섭에의해빛은완전하게투과된다. 실제로는조건이완벽할수없어아주적은빛은반사된다. 22
16.4 회절격자에의한회절 diffraction 회절무늬 단색광원에서나오는단색광으로면도날을비추어보면 면도날그림자가장자리에간섭에의한회절무늬가보인다 이회절무늬는각점이파원이되어나오는 2 차파들의간섭현상이다. 슬릿하나에서도그안에서발생하는여러 2 차파들이있으며 이 2 차파들이서로간섭을일으켜회절무늬를만들어낸다. 23
하나의슬릿에의한회절효과 회절 하나의슬릿의서로다른부분을통과한빛들사이의간섭에의한결과 가운데부분이밝고좌우대칭으로밝고어두운부분이교차되어나타난다. 2중슬릿에의한영의간섭무늬와유사한효과 첫번째검은무늬 ( 상쇄간섭 ) 의위치 슬릿의위쪽반과아래쪽반을통과한빛의경로차가반파장 x y w 가운데밝은무늬의폭 2 y 폭이좁을수록무늬는넓다. 상쇄간섭 : wsin y w x n (n 1,2,3,...) 24
예제 16.3 파장 550mm의빛이폭이 0.4mm인한개의슬릿을통과한다. 슬릿으로부터 3.0m 떨어진스크린에서관찰할때 a. 가운데밝은부분으로부터다음어두운무늬까지의거리는? b. 가운데밝은부분의폭은얼마인가? 550nm 5.510 7 m w 0.4mm 410 2 m x 3. 0m y? 7 x (5.510 m)(3m) 3 a) y 4.110 m 4. 1mm 2 w (410 m) b) 2y 2(4.1mm) 8. 2mm 25
또다른형태의회절모양 사각형모양슬릿 2차원적인회절현상 창문을통해별빛을보거나멀리떨어진가로등을볼때 원형모양슬릿 사람의눈은원형모양의슬릿 어두운밤에별이밝은점을중심으로자전거살이뻣치듯이보이는현상 26
회절격자 diffraction grating 회절격자 빛의색스펙트럼을관찰하기위해사용하는여러개의슬릿을모아놓은것 기본원리 : 여러개의슬릿으로부터나오는빛들의간섭효과이용 빛을회절격자를통과시키면그림과같은펼쳐진다양한색의스펙트럼을얻을수있다. 두번째스펙트럼 (m=2) 이첫번째 (m=1) 에비해더넓게퍼져보인다. 27
16.5 편광 Polarization 전기장의진동방향이정렬되어있는경우 이러한전자기파는편광상태의빛이다. 햇빛은모든방향으로무질서하게진동하는빛이다.( 비편광상태 ) 28
편광되지않는빛 unpolarized 전기장의벡터방향이사방을모두가리키고있다. 전기장이서로다른방향으로진동하는파동들의혼합체인빛 햇빛이나백열전구로부터방출된빛 편광된빛 polarized 한쪽방향으로만진동하는전자기파만 통과시키고나머지는걸러낸빛 편광필터를사용하거나반사를이용하면편광된빛을만들수있다. 29
편광필터 편광되지않는빛이편광필터를통과할때어떤일이일어나는가? 전기장벡터중에서편광필터의축방향을향한성분만통과 나머지성분은모두흡수 편광되지않는빛의 50% 가통과 실제는 50% 미만통과 ( 통과축방향의성분일부흡수 ) 자연광 (unpolarized) 를편광필터를통과시키면, 빛의세기가반으로줄게된다. 편광된빛인지여부확인방법은? 빛의진로상에필터를놓고한바퀴돌려보면알수있다. 편광되지않은빛 : 밝기가변하지않는다. 편광된빛 : 특정한위치에서빛의밝기가 0이된다. 통과축 30
만약, P2 가 P1 에비해서 90 도편광필터라면그럼빛이투과하지못한다. 31
편광색안경원리 편광되지않는빛이유리나물처럼투명한매질의매끄러운표면에서반사될때에도편광현상이나타난다. 반사된빛과물속으로들어간빛이 90도를이룰때반사된빛은편광된다. 편광의방향은수면에평행인방향 ( 입사각은약 37도 ) 편광색안경의통과축이수직이면이빛은차단된다. * 무편광상태의빛이브루스터각으로입사되면, 반사된빛은항상입사평면과수직으로편광상태가된다. * 그래서수직편광된빛만을주로차단시키는편광선글라스 (polarizing lense) 로보면지표면에서반사되는파를거의보이지않게하는효과를얻을수있음. 32
복굴절 복굴절 편광방향에따라굴절률이다른물질에빛이입사하면편광방향에따라다른방향으로굴절한다. 예 방해석의결정을통해점을보면두개로보인다. 이유 : 이중굴절하나는정규파동, 또하나는비정규파동 각각의파동은서로수직방향으로편광된빛 33