Scandal 15 (Part 2). 비눗방울은 왜 무지개색이 변하고 있을까?

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비눗방울의 무지개 색이 나타나고 변하는 원인에 대해서 Part 1 에 이어 Part 2에 대해서 알아보자
 
 

 

Part 1 
 1.비눗방울 형성원리
 2. 물방울은 왜 오래 유지 할수 없을까?
 3. 비눗방울은 왜 둥글까?
 4. 비눗방울이 합쳐질 때는 특별한 패턴이 있을까?
 
Part 2 
 5. 빛의 파동의 성질에 의한 간섭

 

 

5. 빛의 파동의 성질에 의한 간섭

 

빛이 파동이라는 사실을 알게 된 역사는 앞선 아래 Scandal 에서 이야기 했다.

 

Scandal 3. 레이조 포인트는 주로 빨간색을 사용한다.

Scandal 3. 레이저 포인트는 주로 빨간색을 사용한다.

 

 

간단하게 정리를 하면 17세기 빛이 굴절되는 현상을 근거로 스넬과 데카르트는 굴절의 법칙을 발견하게 되고 뉴턴은 두개의 프리즘으로 빛의 성분에 빨주노초파남보의 색깔을 포함하고 있다고 했다. 그 후 18세기 로버트 훅과 크리스티안 호이겐스는 모든 물질에서 빛의 속도는 굴절률에 반비례하여 빛이 물질에 의해 휘어지거나 굴절될수록 빛의 속도가 더 느려진다는것은 빛이 파동이라고 주장하였으나, 당시 유명세가 높던 뉴턴의 입자론이 우세하는 시기에, 1803년의 토마스 영의 이중 슬릿 실험에서 간섭줄무늬에 의해 빛은 파동이기 때문에 간섭현상이라는 것을 증명하였다.
 

Image of fig.442 from plate XXX from Thomas Young's "Lectures", publ. 1807, the text of lectures to London's Royal Institution in 1802. Shows Young's experience of the "two slit" phenomenon, which supports wave theory of light.

 
1666년 뉴턴이 발견한 Newton's ring 이라는 현상이 빛이 입자이기 때문에 나타나는 현상이라고 주장한 후 150년이 지나서야 토마스 영의 파동론으로 정확하게 해석할수 있게 되었다. 이렇게 토마스 영의 이중슬릿 실험은 빛의 성질을 밝혀내는 중요한 계기가 되었으며, 이후 프레넬, 프라운호퍼 등에 의해 여러가지 간섭과 회절현상이 관찰되어 빛의 파동론은 확고해졌다.
 

Newton's ring, https://en.wikipedia.org/

 
 

그 후 빛이 파동인지 입자인지의 논란에서 이중슬릿 실험에서 파동이기 때문에 간섭무늬가 나타나게 되는데 입자라면 두개의 슬릿영역에만 입자가 맺쳐야 하나 간섭무늬과 같은 영역에 입자들이 맺히면서 빛은 파동인 동시에 입자라는것이 증명된 것이다.

 

 

빛의 파동은 위의 간섭무늬에서 나오듯이 서로 보강 또는 상쇄 간섭할 수 있다.한 파동의 마루가 다른 파동의 마루와 일치하면 진폭이 더 커진다. 두 파동의 진폭이 같으면 결국 진폭은 두 배가 되는 것이다. 밝기는 진폭의 제곱으로 나타나게 된다. 따라서 진폭이 2배가 되면 강도는 4배가 된다는 것이다.

 

이러한 간섭을 보강 간섭(Constructive interference) 이라고 한다. 반면에 한 파동의 마루가 다른 파동의 골과 일치하면 진폭이 감소하거나 심지어 완전히 상쇄될 수도 있다. 이를 상쇄 간섭(Destructive interference)이라고 한다. 그 결과 광도가 떨어지거나 완전히 상쇄되면 암흑 상태가 될수 있는 것이다.

 

https://www.webexhibits.org/

 

햇빛은 모든 색상의 광선으로 구성되며 각 색상은 서로 다른 파장을 가지고 있고, 각 파장은 각 표면에서 부분적으로 반사되고 부분적으로 투과된다. 상단과 내부 표면에서 반사된 빛의 파동 성분이 간섭되어 비눗막 표면에 나타나는 색상이 달라지게 된다. 비눗막 표면이 무지개의 모든 색상을 표시하도록 하는 원인이다.

 

 

 

 

 

The wavelengths of light that interfere constructively determine the colour that appears on the surface of the bubble. If waves of a certain wavelength (e.g. green, as on the right hand side) interfere destructively, then you do not see that colour on the surface. Image adapted from original by  Al  S oot  on Unsplash.

 

이러한 비눗막은 중력에 의해서 아래로 내려가게된다. 그러면서 비눗막의 두께도 바뀌면서 색깔은 계속 바뀌되고 비눗방울의 윗부분이 얇아지게 되고 아래쪽으로 갈수록 두꺼워진다.

 

 

https://annex.exploratorium.edu/

 

비눗방울의 비눗물이 중력에 의해 아래로 내려가면 물만 남게 되면서 색깔은 점점 없어지게 된다. 이것은 빛의 간섭은 빛의 사이즈 범위에서 발생하기 때문에 비눗방울의 얇은 막(nm의 두께)에서 간섭현상에 의해 다양한 무지개 색깔이 나타나게 되고, 일반적인 둥근 물방울은 무지개 색이 나타나지 않는다.

 

그래서 아래 그림에서 보듯이 처음에는 비눗방울에 무지개 색이 보이다가 비눗물이 점점 아래로 내려가 위쪽에는 물만 남게 되면 비눗막이 없어 간섭현상이 없어지다가 물의 표면장력에 의해 응집할려고 하고 수증기 증발에 의해 더이상 방울형태를 유지 할수 없어 터지게 되는 것이다.

 

https://mymodernmet.com/jason-tozer-planet-tozer/

 

공기중의 먼지등에 의해 터지기도 한다. 그래서 무중력 상태에서 비눗방울은 터지지 않는다고 한다.

중력은 아래 Scandal 에 설명 되어 있다.

 

Scandal 14. 인공위성은 떨어지지 않고 어떻게 계속 지구를 돌수 있을까?

Scandal 14. 인공위성은 떨어지지 않고 어떻게 계속 지구를 돌수 있을까?

 

Amazing picture shows the exact moment a bubble is burst   CREDIT: Photo: BARCROFT MEDIA

 
 
 

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