태양과 관찰자를 마우스로 움직여 보고 무지개의 규칙성을 밝혀 보세요.
※ 자바 프로그램의 제한으로 인해 무지개의 모습이 정확하지 않을 수 있습니다.
빛의 분산현상
투명한 매질 속에서의 빛의 속도는 진공에서의 속도보다 작다는 것을 알고 있습니다. 그런데 속도가 얼마나 작은지는 매질의 특성과 빛의 진동수에 따라 다릅니다.
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가시광선 중 높은 진동수의 빛은 낮은 빛보다 매질 속에서 더 늦게 진행합니다. 보라색 빛의 속도는 빨강색 빛보다 1% 정도 느립니다. 빨강색과 보라색 사이의 빛깔을 가지는 빛들은 제각기 다른 속도로 진행합니다. 따라서 한 매질에서 다른 진동수의 빛은 다른 속도로 진행합니다. 각각 빛이 다른 속도를 가지기 때문에 다르게 굴절되며 따라서 꺽이는 정도도 다릅니다. 빛이 프리즘에서처럼 두번 굴절되면 그 스펙트럼은 분간하기 쉬워집니다. 이렇게 빛이 진동수에 따라 빛깔별로 정렬된 형태로 분리되는 것을 분산이라고 부릅니다. (Fundamentals of Physics - Holiday, Resnick, Walker) |
무지개
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분산현상의 가장 멋진 예가 무지개입니다. 무지개를 볼 수 있을 때는,
입니다. 이 조건이 만족될 때, 등을 태양으로 향하고 있으면 반원형의 무지개 스펙트럼을 볼 수 있습니다.
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무지개의 아름다운 빛깔들은 프리즘과 같은 역할을 하는 수천~수만 개의 작은 원형 물방울들에 의해 생깁니다. 처음 굴절될 때 빛은 보라색이 가장 많이 꺽이고 빨강색이 가장 적게 꺽여서 스펙트럼 빛깔들로 분산됩니다. 물방울의 반대 표면으로 닿을 때 빛은 부분적으로는 반사됩니다. 이 빛이 다시 물방울 밑부분에 도착하면 각 빛깔은 반사되고(그림에서는 보이지 않는다) 굴절됩니다. 두번째 굴절은 첫번째 표면에서 이미 형성된 분산을 두번째 굴절에서 증폭하는 프리즘의 작용과 비슷합니다. (Fundamentals of Physics - Holiday, Resnick, Walker)
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비록 모든 물방울들이 분산되어 스펙트럼 전체 빛깔을 만들지만 관찰자는 한 물방울에서 한가지 빛깔 밖에 볼 수 없습니다. 한 물방울에서 나온 보라색 빛이 눈에 들어왔다면 같은 물방울에서 나온 빨간색 빛은 다른 쪽(아마도 다리 쪽)을 향할 것입니다. 빨간색 빛을 보려면 이보다 높은 곳을 보아야 합니다. 많은 사람들이 모여서 무지개를 구경한다고 할 때, 하나의 무지개를 여러 사람들이 관찰하는 것이 아니라 각자 자기만의 무지개를 가지고 관찰하게 됩니다.
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↑우리의 눈이 태양과 물방울이 있는 지역 사이에 있다면 무지개는 물방울 지역을 통과하는 3차원적인 원뿔형입니다. 보라색은 불방울로부터 분산되어 40。를 이루고 빨강색은 42。를 이루며 나머지 색들은 두 각도 사이에 분포합니다.
빛을 분산시켜 주는 모든 물방울은 원뿔형 안에 있습니다. 물방울을 포함하는 지역이 두터울수록 여러분이 볼 수 있는 원뿔형은 더 두터워지게 되며 더 생생한 무지개를 볼 수 있습니다.
때때로 무지개 주위에 더 크고 빛깔의 배열이 뒤바뀐 또다른 무지개를 볼 수 있습니다. 이것은 빗방울 속에서 빛이 두번 반사되기 때문에 생기는 것입니다.