가시광선, 한문 풀이 그대로 ‘볼 수 있는 빛’, 즉, 인간의 눈으로 볼 수 있는 전자기파 영역으로, 대략 750nm부터 380nm까지의 파장 대역(RGB 순서로)입니다. 그리고, 녹색에 해당하는 555 nm에서 가장 잘 보이죠. 지구에 도달하는 햇빛의 절반 정도는 가시광선이고 나머지 절반은 적외선과 자외선입니다. 좀 더 정확히 표현하자면, 지구에 도달하는 햇빛 에너지 '1,004W/제곱미터' 중에서 가시광선이 '445W/제곱미터', 적외선이 '527W/제곱미터', 그리고 자외선이 '32W/제곱미터'에 해당합니다.
한낮의 해는 너무 밝아서 색을 분간하기가 어렵지만, 프리즘을 통과하면서 유리 내에서 속도의 차이로 인하여 무지개 색을 드러냅니다. 예를 들어 진공에서의 빛의 속도는 299,792km/sec이지만 유리 안에서는 빨강(650nm)은 197,948km/sec, 보라(400nm)는 195,840km/sec입니다. 진공에서의 빛의 속도를 유리에서의 빛의 속도로 나눈 값이 굴절률에 해당하죠. 물론 보라 빛이 속도가 더 떨어지므로 굴절률이 크고 따라서 더 많이 꺾이게 됩니다.
물론 비가 그친 후, 대기에 남아있는 작은 물방울들도 프리즘 역할을 하여 두 번 굴절을 하며 무지개를 만들며, 굴절이 네번이 일어나게 되면 쌍무지개가 뜹니다. 쌍무지개는 빛의 손실로 조금 덜 밝고 색상도 반대로 나타나죠. 이는 물방울 프리즘에서 굴절 각도를 따라 선을 그려보면 알게 됩니다. 아이작 뉴턴은 빛을 빨-주-노-초-파-남-보, 7가지 색으로 구분하였는데, 그가 살던 시기에는 7(seven)이 완전한 수였다고 합니다.
실로, 이보다 더 잘게 나눌 수도 있지만, 여기서는 남색을 파랑과 보라가 나누어 포함하도록 하여, 6개로 구분, 색과 파장, 그리고 이를 진동수와 광자의 에너지로 환산한 값들을 적어보죠. 빨강은 750~620nm(656nm, 가장 강하게 느끼는 파장) 구간으로, 진동수는 400~484THz, 광자 에너지는 1.60~2.00eV이고, 주황은 620~590nm(600nm) 구간으로, 진동수는 484~508THz, 광자 에너지는 2.00~2.10eV이며, 노랑은 590~570nm(587nm) 구간으로, 진동수는 508~526THz, 광자 에너지는 2.10~2.17eV입니다. 초록은 570~495nm(555nm) 구간으로, 진동수는 526~606THz, 광자 에너지는 2.17~2.50eV이고, 파랑은 495~450nm(454nm) 구간으로, 진동수는 606~668THz, 광자 에너지는 2.50~2.75eV이며, 보라는 450~380nm(410nm) 구간으로, 진동수는 668~789THz, 광자 에너지는 2.75~3.26eV입니다. 가시광선 영역의 모든 파장을 다시 합하여서 보면 흰색으로 나타납니다.
당연히 동물들도 빛을 볼 수는 있죠. 볼 수 있는 파장 대역이 인간과는 약간 다를 뿐입니다. 예를 들면, 벌은 꿀을 가지고 있는 꽃을 찾기에 유리한 자외선 대역을 볼 수 있고, 개와 고양이, 역시 자외선을 일부 볼 수 있는 것으로 보고된 바 있습니다. 그렇지만 넓고 넓은 전자기파의 파장 영역에서 인간과 동물들이 볼 수 있는 파장대는 아주 좁은 영역에 불과합니다. 그 이유는 태양의 흑체 복사, 즉, 방사(복사) 에너지에서 찾아야 할 듯 합니다. 태초에 지구의 전자기파는 대부분 태양으로부터 얻어졌으며, 태양의 방사 에너지 스펙트럼은 250nm에서 2,500nm까지의 범위에 있으며, 특히, 가시광선 파장 대역에서 가장 높습니다. 이는 지구상에서 빛으로 얻을 수 있는 정보들의 파장 대역입니다.
즉, 지구에는 자외선, 가시광선, 그리고 적외선 영역이 존재하였고 나머지 파장 영역은 감지할 이유가 없었죠. 그래서 본래에 포유류들은 자외선까지도 볼 수 있는 4가지 색각을 가졌는데, 중생대를 지나면서 야행성으로 살아갔고, 이 환경에서 2가지 색각이 퇴화되어 적록 색맹이 되었답니다. 신생대가 되어 포유류들이 살기가 좋아지면서, 특히 나무 위에서 생활하였던 영장류는 열매들을 찾고, 또 잘 익었는지를 판단하는 능력이 중요해졌고, 염색체 변이를 통해 눈이 진화되면서 다시 3색각을 가지게 되었다는데, 이로써 영장류는 대부분 세가지 색을 감지하는 능력이 있죠. 외려 인간이 3색각의 유용성에 대한 절실함이 떨어져, 다른 유인원들보다도 색맹이 많은 편이랍니다. 자외선 영역의 빛은 각막에서 차단되어 망막에는 거의 이르지 못하는데, 각막을 제거하면 청백색을 느끼게 되는데, 이는 3종류의 원추 세포들이 비슷한 감도로 자외선에 반응하기 때문이지요.
한낮의 해는 너무 밝아서 눈으로 볼 수 없지만, 떠오르는 해, 지는 해는 우리가 감상할 수 있습니다. 즉, 정오의 햇빛은 대기층을 수직으로 관통하지만, 일출과 일몰에서의 햇빛은 더 긴 거리의 대기층을 지나서 우리에게로 오죠. 대기층의 두께를 100km로 가정하고, 여기에 지구 반지름인 6,371km를 고려하여 계산해보면 지평선에 걸친 해로부터 오는 빛은 1,100km에 이르는 대기층을 지나야 합니다. 정오의 햇빛에 비해 일출이나 일몰의 햇빛이 11배나 두꺼운 대기층을 통과하게 되죠. 그러면서 빛은 공기 분자들에 의하여 산란도 되고 흡수도 됩니다. 당연히 우리 눈으로 오는 빛의 세기는 감소하며, 파장이 길수록 산란이 되는 정도가 덜하여 붉게 떠오르는 태양, 그리고 검붉은 황혼이 됩니다.
햇빛은 대기층을 통과하는 동안 무수히 산란이 되며 산란된 빛들은 사방으로 퍼져 나가면서 하늘을 또 하나의 조명으로 만듭니다. 그리고 파장이 짧은 빛은 더 많이 산란이 되고 결국은 더 멀리까지, 하늘 전체로 퍼져나가죠. 이를 설명하는 이론이 ‘레일리 산란(Rayleigh scattering)'입니다. 빛의 파장보다 훨씬 작은 입자들에 의한 빛의 산란을 설명하는 이론으로, 빛이 파장이 짧은 입자들을 만날 경우, 모든 방향으로 탄성 산란, 즉 에너지 교환이 거의 일어나지 않는 산란이 일어나죠. 햇빛은 수백nm의 파장, 공기 분자의 크기는 1nm에도 못 미칩니다. 결과만 보면, 빨간색 빛에 비해, 파란색 빛은 3.5배 더 산란이 됩니다. 그래서 맑은 날, 구름 없는 하늘은 끝도 없는 파란색입니다. 구름을 이루는 수많은 작은 물방울의 크기는 가시광선 파장의 수십배에 이릅니다. 이 경우에는 가시광선의 모든 빛들이 별 차이가 없이 산란이 됩니다. 구름이나 안개가 하얀 이유이죠. 그리고 구름의 색깔을 통하여 햇빛의 색깔도 하얀색임을 알 수 있습니다.
이 글을 쓰는 지금, 우리 집 테라스에서 보이는 북한산, 그 위 파란 하늘과 하얀 구름입니다. 햇빛의 산란이 만들어 낸 풍경. 이러한 가시광선을 디스플레이는 만들어 냅니다. 적외선도 아니고 자외선도 아닌. TV를 보면서 몸을 데우거나 선탠을 할 이유는 없겠지요. 이제 빛과 색으로 갑니다.
# 계속 업그레이드 됩니다. 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표합니다.
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# 더! 생각해보기
a. 우리에게 도달하는 햇빛은 어떻게 이루어져 있으며, 각각을 우리는 어떻게 이용할까
b. 빛은 파동이고, 그래서 파장이 있고, 파장은 에너지가 있고, 그래서 입자이고... 이를 조금 더 상세히 풀어볼까
c. 자연에서, 일상에서 보이는 수많은 색깔들, 빨간 단풍잎, 파란 하늘, 초록 풀잎, 투명한 이슬... 빛으로부터 생각해보자.
# 수식과 이론, 퀴즈
벌새의 색 인지
과학자들은 새가 인간보다 훨씬 뛰어난 색 시력(color vision)을 가지고 있다는 것을 오래전부터 알고 있었다. 대부분의 영장류와 마찬가지로 인간은 삼색체다. 사람의 눈은 세 가지 종류의 색(파란
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