오른쪽 그림과 같이 굴절률이 n1인 물질에서 n2 인 물질의 경계로 입사각 i로 빛이 입사할 경우에 굴절각이 r이었다면 굴절률, 입사각, 굴절각, 파동의 속력의 관계를 스넬의 법칙이라 부른다. 굴절율과 파동의 속력은 반비례 관계이고, Sin(굴절각)과 굴절율도 반비례 관계에 있다. 다시 말해 Sin(굴절각)과 파동의 속력은 비례한다.
같은 물질이라도 빛의 색에 따라서
굴절률이 약간씩 달라진다. 보통 빛의 진동수가 커질수록 굴절율도 같이 커진다.
물의 굴절률은 대략 4/3 정도라고 말하는데, 빨간 빛에 대한 물의 굴절률은
1.331 정도이고, 보라색 빛에 대한 물의
굴절률은1.343 정도다. 빛의 색에 따라서 굴절률은
조금씩 달라지는 것이다. 스넬의 법칙을 보면 금방 알게 되지만 굴절률이
클수록 빛의
꺾이는 각도도 커진다. 그래서 물 속으로 들어가는 햇볕은 색에 따라 나눠지는데,
이런 현상을 빛의 분산이라 부른다.
빛의 분산을 처음 발견한
것은 중력의 법칙 발견으로 유명한 뉴턴이었다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton,
1642~1727)은 프리즘이라는 유리
삼각기둥을 이용해서 햇볕을 분리해낸다. 이 현상은 카메라 렌즈, 물방울 등에서 빛이
굴절할
때도 똑같이 나타나며, 심지어는 사람 눈의 수정체도 빈번히 이런 현상1
을 일으킨다.
물론 일반적으로 굴절률이 다른 두 물질의 경계면 사이에서 뿐만 아니라 굴절율이 연속으로 변하는 한 물체 내부에서도 나타난다.
이러한 현상은 아지랑이, 신기류 등의 현상에서도 쉽게 볼 수 있다. (접한 물질이 다르더라도 굴절율이 완전히 같으면 빛의 분산과 굴절이 발생하지 않는다.)
② 반사
반사란 굴절률이 다른 두 물질의 경계면을 파동이 만났을
때 파동이 진행하던 물질로 되돌아가는 현상이다. 일반적으로 반사가
일어나면 들어온 파동과 경계면
사이의 각도(입사각)가 경계면과 나간 파동 사이의 각도(반사각)와 완전히 같은 크기를 갖는다.
반사는 전반사와 부분반사가 있다. 전반사는 말그대로 파동 전체를 반사하는 현상을 말하고,
부분반사는 오던 파동의 일부는 반사하고
일부는 투과시키는 현상을 말한다.2
재미있는 것은 다른 두 물질이 접해있다 하더라도 두 물질의 굴절률이 똑같으면
아무런
반사도 일어나지 않는다는 점이다. 시각적으로만 볼 때는 다른 두 물질이 붙어있다는
것을 알아낼 방법이 없다.
그러나 고대부터 발견된 반사 현상은
아직도 명백한 물리적 설명을 못하는 편이다.
