Scandal 1 ( Part 1). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

흔히들 검은색은 흡수하고 흰색은 반사시킨다고 한다.

그런데, 검은색이라서 흡수하고 흰색이라서 반사하는 것이 아니다.주객이 전도된 표현이다.

정확한 표현은 빛이 다 흡수가 되면 검은색으로 보이고, 반사를 하면 흰색으로 보이는것이다.

 

아래 순으로 알아 보도록 하자

 

Part 1 
1. 빛의 특성
2. 색깔이 나타나는 원리
3. 빛의 흡수

Part 2 
4. 보어의 원자 모델
5. 에너지 간격(Bandgap)
6. 검은색은 흡수하고 흰색은 반사하는 이유?

 

 

RECH6 - 6th International Meeting on Retouching of Cultural Heritage Valencia, Spain ❘ 4th-6th November, 2021, Doi: https://doi.org/10.4995/RECH6.2021.13482

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1. 빛의 특성

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빛은 파장의 길이에 따라 전파에서 감마선까지 다양하게 존재하는데 인간이 볼수 있는 것은 아주 좁은 영역인 가시광선만 가능하다. 가시광선 380nm~780nm로 빨간색부터 보라색까지 색깔을 가지고 있다.

그 중 빨간색은 620~750nm, 초록색 495~570nm, 파란색은 450~475nm 사이를 나타낸다.

https://www.science.nasa.gov

 

17세기에 뉴턴은 두개의 프리즘 실험에서 파장의 굴절각이 같다는것을 알고 무지개 빛은 프리즘에서 나오는것이 아니라, 색깔 없는 백색광 속에 빨주노초파남보 색깔을 가진 단색광이 포함되어 있다고 빛의 색깔에 대한 이론을 제시하였다.

 

https://www.wikipedia.org/,  뉴턴의 프리즘 실험

 

이후 로버트 훅과 크리스티안 호이겐스에 의해 빛의 속도는 굴절률에 반비레하여 빛이 물질에 의해 휘어지거나 굴절 되는데, 이는 그 물질을 가로 질러 이동하는 동안 빛의 속도가 더 느려지는 파동 특성이 있기 때문이라고 제시하였다.

따라서 , 빛은 매질을 통과할 때 파장이 짧으면 짧을수록 매질로부터 상대적으로 더 많은 방해를 받아 빛의 속도는 매질이 없을 때와 비교하여 상대적으로 줄어들게 되고, 빛의 방향은 더 많이 꺾이게 된다. 좀 더 수학적으로 설명하면 아래 수식처럼 일반적으로 매질 속에서는 파장이 증가하면 굴절률은 반비례하여 감소한다.

 

이러한 굴절각은 굴절률이 ni과 nt로 서로 다른 두 매질이 맞닿아 있을 때 매질을 통과하는 빛의 경로는 매질마다 빛의 속도가 다르므로 휘게 되는데, 그 휜 정도를 빛의 입사 평면 상에서 각도로 표시하면 θ i 과 θ t가 된다. 파면이 투과 매질의 굴절률이 높으면 속도가 늦어 지면서 지연되어 속도의 변화 때문에 경계면에서 파면이 지나가면서 휘게 되어 굴절률과 굴절각의 관계를 스넬의 법칙은 이라고 한다. 빛의 파동에 관한 내용은 아래 포스팅 에서 참고할수 있다.

 

Scandal 3. 레이저 포인트는 주로 빨간색을 사용한다

Scandal 3. 레이저 포인트는 주로 빨간색을 사용한다.

 

 

 

매질을 통과하는 동안 속도저하로 주기가 짤아지고 스넬의 법칙에 의해 꺽이게 된다.

 

따라서 백색광이 프리즘을 통과하면 파장이 큰 빨간색(620~750nm)이 가장 적게 꺾이고, 보라색(380~420nm)이 가장 크게 꺾이게 된다. 이러한 차이 때문에 빛의 파장에 따라 조금씩 꺾이는 정도의 차이가 발생하게 되는 현상을 빛의 분산이라고 부르고 이는 프리즘에서 간단하게 확인할수 있다.

 

바닷물이 파란색으로 보이는 이유는 파장이 길면 안쪽으로 흡수되는 성질이 있고 상대적으로 짧은 파장인 파란색은 빨간색보다는 더 많이 반사되기때문에 바닷물이 파란색으로 보이게 되는 원리과 같은것이다.

https://ko.wikipedia.org ​

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백색광이 프리즘에 의해 분산되어 빨간색에서 보라색으로 퍼져 보이는데, 거꾸로 빨간, 초록, 파란색을 혼합하면 백색을 나타낸다. 그래서 빛은 가산혼합이라고 하고, 물감은 빨간, 초록, 파란색을 혼합하면 검정색이 되어 감산 혼합이라고 한다.

 

 

https://kcccolorndesign.com

 

이러한 빛의 가산혼합은 우리가 흔히 접하는 디스플레이에서도 사용된다. 디스플레이의 픽셀은 Red, Green, Blue 픽셀이 한 Dot라고 하고 Red, Green, Blue 픽셀을 동시에 켰을때 떨어진 거리에서 Dot는 백색으로 보인다. Red 픽셀만 켰을때는 Red 색깔만 표현되고, Red+Green을 켰을때는 떨어진 거리에서는 Yellow 색으로 보인다.

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2. 색깔이 나타나는 원리

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아리스토텔레스는 사과가 붉은것은 사과 안에 붉은 색이 있어 빛이 없어도 붉은 색이 난다고 생각했고, 데카르트는 사과 안에 붉은 색이 있는 것이 아니라 흰색 빛이 사과에 닿는 과정에서 변형이 생긴것 이라고 생각했다. 뉴턴은 프리즘 실험을 통해 사과의 붉은 색은 사과 안에 있는 것이 아니라 빛 속에 있다는것을 알아 냈고 빛의 파장에 따른 서로 다른 굴절률로 하나로 초점을 맞추는 것이 어렵다는것을 알고 망원경에 렌즈 대신 거울을 달린 망원경을 만들었다. 이런 발견에 당시 유럽 도처는 물론 크리스티안 하위헌스와 로버트 훅에게 거센 비반을 받았으며, 특히 로버트 훅과의 과열된 분쟁으로 1703년 훅이 죽고 나서 뉴턴은 "광학" 이라는 학문의 책을 출판하고 빛의 학문이 생기게 되었다.

 

이렇게 밝혀진 빛은 진행하다가 물체에 부딪치면 어떤 색은 물체에 투과되고, 흡수 되고, 반사된다.

자연계의 있는 대부분의 물체들은 색소 분자들에 의해 선택적인 흡수의 결과로써 특징적인 색을 띠게된다.

색을 띠는 물체는 가시광선의 일부 파장의 빛을 흡수하고, 나머지 파장의 빛은 반사 또는 산란 시킨다.

아래처럼 백색광(발주노초파남보)이 사과에 비춰졌을때 나머지는 흡수하고 빨간색과 주황색을 반사하여 사과가 붉게 보이는 것이다. 사과 뿐만 아니라 우리가 보는 모든 사물의 색이 같은 원리로 나타난다.

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http://vod3.kocw.net/KOCW

 

빛이 물체에서 흡수해서 다시 반사, 산란을 하면서 우리는 사물들을 볼수가 있다. 즉 빛이 없으면 암흑과도 같고 어떠한 색깔도 볼수가 없게 된다.

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참고로 금속의 색깔은 조금 다르다. 금색을 노란색이라고 표현하지는 않는데에는 광택이 나는 이유가 있는데 이것은 주제에서 너무 많이 벗어나는것 같으니 아래 포스팅에서 참고하기 바란다.

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 Scandal 10. 금속은 광택이 난다

Scandal 10. 금속이 광택이 나는 이유

 

 

 

3. 빛의  흡수

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빛의 흡수를 설명하기 위해서 잠깐 역사를 되집어 보자

1900년에 플랑크는 흑체로 부터 복사된 빛에 대한 방정식을 풀었고, 빛이 갖는 에너지도 구하고 실험결과 비교하면서 새로운 상수가 추가되었고 흑체 복사 실험결과에서 만든 모델에 h라는 상수를 붙이고 진동자의 에너지가 진동수 v와 상수 h 곱인 hv,2hv, 3hv의 정수배로만 존재한다고라는 주장이 띄엄띄엄 존재한다는 의미 이지만 양자화에 대한 구체적인 언급은 하지 않았다.

 

1905년에 아인슈타인은 플랑크의 연구에서 빛은 광자로 구성되었다는 빛의 입자설을 제안하고 광전효과를 설명함으로써 양자역학의 시초가 되었다.

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이때 아인슈타인이 일반상대성 이론에 집중하는 사이에 1913년 보어는 전자의 원동은 태양 주변을 도는 지구의 운동과 비슷하게 원운동일 것이라고 가정했고, 원운동은 중심으로 부터 일정한 거리만큼 떨어진 궤도를 각운동으로 회전하고, 전자의 각운동량이 플랑크 상수에 정비례하는 띄엄띄엄한 값을 가질수 있다고 하였다. 당시 플랭크와 아인슈타인은 빛, 에너지는 E=h(플랑크상수)*v(진동수)의 정수배로 존재한다고 주장으로 양자화(quantized) 까지는 생각하지 못했다. 이때 보어는 전자가 가질수 있는 에너지의 띄엄띄엄한 값만 가질 수 있다고 처음으로 각운동량의 양자화 가설을 제시 했다.

 

*각운동은 아래 포스팅에서 참고 하기 바란다.

 Scandal 10. 금속은 광택이 난다

Scandal 6. 균형을 잡을 때 팔을 펼친다.

 

 

Part 1 
1. 빛의 특성
2. 색깔이 나타나는 원리
3. 빛의 흡수

Part 2 
4. 보어의 원자 모델
5. 에너지 간격(Bandgap)
6. 검은색은 흡수하고 흰색은 반사하는 이유?

 

 

References

 

1. RECH6 - 6th International Meeting on Retouching of Cultural Heritage Valencia, Spain ❘ 4th-6th November, 2021, Doi:    https://doi.org/10.4995/RECH6.2021.13482

2. Encyclopaedia Britannica. Inc

3. Procrastilearner release this image under the CC BY-SA

4. https://physics.stackexchange.com

5. http://vod3.kocw.net/KOCW

6. https://kcccolorndesign.com

7. https://www.wikipedia.org/