2-3) 파동, 전자기파

 

 

빛은 전자기파입니다.  그리고 전자기파는 파동들 중의 하나일까요?  물리학에서의 파동(wave)은 일반적으로 운동이나 에너지가 매질을 통하여 전달되는 현상입니다.  에너지는 시간이 지나면 공간으로 퍼져가지만, 매질 자체는 운동을 매개할 뿐 이동하지 않습니다.  매개는 중간에서 양측의 관계를 이어준다는 뜻이죠.  전자기파는 매질이 없이 전달됩니다.  그리고 양자역학에서의 파동성은 모든 물질의 기본적인 성질이며, 매질이 없이 정의되는 기본 개념이기도 하죠.  그래서 파동을 ‘임의의 물리량이 주기적으로 변하면서 그 변화가 공간을 따라 전파되는 것’으로 표현함이 적절합니다.

 

파동

 

파동의 분류

 

 

파동을 분류하는 법도 다양하죠.  먼저 매질 유무를 보면, 수면파, 음파, 지진파 등은 매질을 필요로 하며, 이를 역학적 파동으로 구분합니다.  이에 대응하는 것이 전자기 파동, 즉, 전자기파이며 이는 매질이 없이 진행합니다.  가시광선을 중심으로 파장이 짧은 자외선, X 선, 감마선 등과 파장이 긴 적외선 마이크로파, 라디오파 등이 여기에 속하죠.  우리가 흔히 ‘빛’이라 함은 가시광선을 말하기도 하고, 넓게는 전자기파 전영역을 의미하기도 합니다.  진동 방향에 따른 분류도 가능한데, 진행 방향과 수직으로 진동하는 파를 횡파(transverse wave)라 하며, 전자기파, 현의 파동, 지진의 s파 등이 이에 해당하죠.  종파(longitudinal wave)는 진행 방향과 나란하게 진동합니다.  예를 들어 음파가 대표적이며, 지진의 p파 등이 있습니다.  이 외에도 파동의 전진 여부, 파면의 형상 등에 따른 분류도 가능합니다.

 

종파와 횡파

 

따라서 전자기파는 매질이 필요 없는 전자기 파동이며, 전기장과 자기장이 진행 방향에 대해 수직으로 진동하면서 진행하는 횡파입니다.  두 개의 장은 수직으로 위치하고, 진공 내에서는 빛의 속도를 가지죠.  매질이 바뀌면 빛의 속도도 달라집니다.  즉, 이는 굴절률(n)로 표현되는데, 특정 매질에서의 빛의 속도(v)는 진공에서의 빛의 속도(c)를 굴절률로 나눈 값, 'v = c/n'입니다. 

 

 

이러한 전자기파는 진동수가 크거나 작은 순서에 따라 스펙트럼을 이루며, 감마선, X 선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 순으로 파장은 길어지고 진동수는 짧아집니다. 즉, ‘파장 = 빛의 속도(c)/진동수(f)’의 관계를 따르죠. 전자기파의 양자(quantum, 에너지의 최소 단위)는 광양자(light quantum), 혹은 광자(photon)이며, 광자는 질량은 없지만 중력의 영향은 받습니다. 즉, 양자역학에서 전자기파는 광자들로 이루어지며, 광자들의 에너지는 각각 양자화가 되어있고, 진동수가 클수록 에너지도 커집니다. 이는 플랑크 방정식인 ‘에너지 = 플랑크 상수 x 진동수’로 표현되죠. 예를 들어 감마선의 광자는 가시광선의 광자보다 10만배가 큰 에너지를 전달합니다.

 

 

전자기파 스팩트럼

 

한때는 가시광선만 빛이라고 생각했지만, 이제 빛은 전자기파의 모든 영역으로 받아들이고 있습니다. 그리고 파장 대역별로 구분, 분류하고 있으며, 짧은 파장 대역은 광자의 에너지를 이용하여 깊이 침투하거나 대상을 투과하는 검사나 의료 분야, 긴 파장 대역은 파동의 전달을 주로 이용하여 손실이 없이 멀리 나아가는 통신 분야 등 다양한 분야에 걸쳐 인류의 생활에 더욱 큰 도움을 주고 있습니다. 이를 간단히 정리하여 보죠.

 

 

감마선은 대략 10pm 이하의 파장으로, 원자핵 내의 에너지 변화에 의해서 방출되며 파장이 가장 짧고 에너지는 가장 높습니다. 우리가 잘 아는 마블 코믹스의 만화 캐릭터인 헐크를 탄생시킨 전자기파이죠.  실제로 이 감마선은 방사선 효과 연구나 의료 분야의 연구에 사용됩니다. X 선은 대략 10pm~10nm 범위의 파장으로, 1895년, 뢴트겐이 발견하였죠.  처음 발견 당시에는 원인을 규명할 수 없다는 뜻으로 X 선이라고 명칭하였는데, 지금은 의료용 영상 촬영이나 물체의 비파괴 검사등에 활발히 사용되고 있습니다.  자외선은 대략 1nm~400nm 범위의 파장으로, 보라색 가시광선을 넘어서서는 빛, UV(UltraViolet)라고 부릅니다.  피부가 그을리는 원인이 되고, 피부암을 유발하기도 하지만, 살균 작용이 강하여 일상에서 세척용으로 유용합니다.  가시광선은 대략 380nm~750nm 범위의 파장으로, 눈으로 볼 수 있는 빛입니다.  이를 통하여 일상에서 사물, 자연 등의 모양과 색을 인지할 수 있으며, 디스플레이의 영상도 즐길 수 있죠.

 

가시광선 영역

 

적외선은 대략 780nm~1mm 범위의 파장으로, 긴 파장쪽에서 보면 빨간색 가시광선의 안쪽, IR(InfraRed)로 부르며, 열 작용이 강하여 열선(thermal light)으로도 불리웁니다.  가시광선 쪽으로부터 볼 때, 근적외선, 중적외선, 원적외선으로도 구분하지요.  열을 지닌 물체의 탐지, 근육의 치료, 레이저 빔, 가시 광선이 없는 환경에서는 영상 센서 등 다양한 분야에서 사용중입니다.  마이크로파는 대략 1mm~1m 범위의 파장으로 생활에 밀접한 가전 기기, 전자레인지, 휴대폰, 그리고 여러 통신 분야, 레이더 등에 이용되며, 주파수 대역으로는 범위는 300MHz~300GHz 정도에 해당합니다.  라디오파는 대략 1m~수천km 이상의 파장으로 에너지가 낮은 대신에 잡음에 강해 멀리까지 전파되어 라디오나 TV 등에 활용됩니다.  무선 통신 분야에 가장 널리 쓰이는 극초단파(Ultra High Frequency, UHF) 대역은 300MHz~3GHz, 파장으로는 10~1m에 해당하죠.  지구의 대기층을 통과할 수 있는 영역이 파장으로는 1cm~11m, 주파수로는 27MHz~30GHz인 점도 이유가 됩니다.  이제는 전자기파 중에서도 극히 일부이며 디스플레이와 직결되는 빛, 가시광선으로 이야기 범위를 좁혀가보죠.

 

햇빛과 가시광선

 

 

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# 더! 생각해보기

a. 파동, 우리 주변에는 어떤 것들이 있을까

b. 파동의 성격은 어떤 파라미터들로 특정 지을 수 있을까

c. 전자기파는 어떤 특징을 같은 파동일까.  어떤 점이 특이할까

 

# 더! 풀어보기

 

 

 

2-3. 파동, 전자기파-복사.pdf

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