musiki의 중학 과학 특강 - 빛 [3]

빛의 파장과 주파수

 

빛은 파동이기 때문에 다양한 파장(혹은 주파수)의 구성요소를 가지고 있다. 파장과 주파수(진동수)의 관계는 다음과 같다.

속도=주파수×파장

파장은 파동이 한번 진동하면서 진행하는 거리이다. 속도가 일정하다고 보았을 때 주파수가 높아진다는 것은 파장이 짧아진다는 의미이고 주파수가 낮아진다는 것은 그 반대의 의미이다. 따라서 이 둘은 반비례 관계이다. 만약 주파수가 일정하고 속도가 더 느려진다면 파장은 짧아질 것이다.

 

파장별 빛의 종류

 

보통 공기중에서 700nm 정도의 파장을 가지며 의 주파수를 가진 빛은 우리 눈에서 붉은 계열로 인식된다. 파장이 짧고 주파수가 높아질수록 우리 눈은 점점 붉은 색에서 노랑 초록 파랑 보라 색으로 인식하게 된다. 그리고 주파수가 어느 정도 이상이(혹은 파장이 어느 정도 이하가) 되면 보라색을 뛰어넘어 울트라 보라색(U.V. Ultra Violet, 자외선)이라고 불리우며 더 이상 우리 눈에 보이지 않게 된다. 물론 주파수가 어느 정도 이하로 내려가도 마찬가로 인프라 붉은색(I.R. Infra Red, 적외선) 이라고 부르며 눈에 보이지 않는다. 사실 무수히 많은 종류의 빛중 인간의 눈으로 볼 수 있는 빛은 얼마 되지 않는다. 우리는 이 얼마되지 않는 종류의 빛을 가시광선(Invisible Light)이라고 부른다.

 

다양한 종류의 전자파

 

적외선보다 주파수가 낮은(파장이 긴) 빛은 흔히 전자파, 혹은 줄여서 전파라고 부른다. 전자파의 종류만도 RF,UHF,VHF 등 방송에 쓰이는 전자파를 비롯해서 Show, T등의 3G 화상이동전화에 쓰이는 2.4Ghz 마이크로파까지 다양하다. 여담이지만 한국은 세계에서 2번째가는 3G 이동전화시장이다. 전파가 빛의 속도로 움직인다는 것은 알았지만 전파가 빛의 일종이라는 사실을 아는 사람은 별로 되지 않는다. 물론 이보다는 빛이 전파의 일종이라고 배우는 것이 더 현명한 발상일 것이지만 말이다. 자외선보다 주파수가 높은(파장이 짧은) 빛은 흔히 방사선이라고 부른다. X선이나 감마선, 혹은 그 이상의 우주선들은 에너지가 매우 높다. 파동의 주파수가 높을수록, 파장이 짧을 수록 파동의 에너지는 높다. 따라서 찢어지듯 높은 음의 소리는 더 적은 소리라 해도 멀리까지 전달되며 사람의 귀를 더 아프게 한다.

 

빛도 마찬가지이다. 같은 레이저라 하더라도 적색보다 녹색이나 푸른색 레이저가 훨씬 강력하며 심지어 인체에 사용할 시 화상을 입게 만들고 눈을 멀게 만든다. 이보다 더 강력한 자외선은 지구상에 오존층이 없었더라면 전 인류를 충분히 피부암으로 전멸시킬 수 있었을 것이다. X선이나 감마선 등의 방사선은 이보다도 너무 에너지가 높아서 기계와 사람의 몸을 쉽게 관통해버린다. 순순히 관통만 하면 다행이지만 방사선의 고에너지는 우리 몸을 관통하면서 각 세포의 DNA의 구조에 영향을 끼칠수도 있다. 다행히도 지구상에서는 지구 자기장이 이러한 방사선들의 침략을 막아주는 덕에 우리는 살아남아 있다. 부시 대통령이 공약으로 내걸었던 유인 화성 탐사 계획은 이러한 우주 방사선을 막을 방법이 없다는 것을 알고는 유야무야되고 말았다.

 

여기서 퀴즈가 있다. 사람의 눈은 색깔을 인식할 때 과연 파장을 인식할까 아니면 주파수를 인식할까? 같은 빛이라 할지라도 물속의 빛 파장보다 공기중의 빛 파장이 길 것이다. 따라서 사람이 파장을 인식한다면 같은 주파수의 빛을 보더라도 물속에서 빛을 본다면 파란색으로 치우칠 것이고 공기중에서는 빨간색으로 치우친 빛을 보게 될 것이다. 과연 맞을까? 글쎄? 아닐 것이다. 아무리 빠른 빛이건 느린 빛이건간에 결국 눈 안을 지나가면서 눈 안의 액체에 의해 같은 속력이 될 것이고 결국 같은파장으로 변하게 될 것이다. 그렇다면 눈에 바늘을 찔러 액체를 바꿔가면서 실험하는 수밖에 없다는 얘긴데, 불행인지 다행인지 이런 무식한 실험은 커녕 발상이라도 해본 미치광이 과학자는 역사적으로 없었다. 역사적으로 자신의 눈을 가장 학대했던 미치광이 과학자는 아이작 뉴턴이었다. 뉴턴은 자신의 눈에 바늘을 가능한 깊이 꽃아보는 실험을 했다가 사흘간 암실 신세를 졌다고도 한다. 때로는 태양을 얼마나 오랫동안 쳐다볼 수 있는가 하는 무모한 실험을 하기도 했다. 그럼에도 그가 실명하지 않았던 것은 기적이라고밖에 볼 수 없다.

 

의외로 백색광은 거의 무한히 다양한 색의 빛으로 이뤄져 있다.

 

대개의 경우 우리 눈이 흰색이라고 인지하는 색은 모든 가시광선의 결합체이다. 빛의 3원색이라고 알려져 있는 적색(Red),녹색(Green),파랑색(Blue)을 모두 같은 비율로 꽉꽉 채워 섞으면 흰색의 빛을 만들 수 있다. 따라서 흰색의 RGB 부호는 R255,G255,B255이다. 적색의 파장은 700nm이고 녹색의 파장은 500nm이다. 노란색의 파장은 대략 600nm 안팎일 것이다. 그러나 700nm와 500nm의 빛을 어케어케 잘 섞으면 우리 눈에 노란색으로 보이는 빛을 만들 수는 있다. 그러나 순수한 노란색 빛과 적색과 녹색을 적당히 섞어 만든 노란색은 분명 서로 다른 존재이다. 물론 LCD 모니터를 보는 우리 눈에는 그다지 차이없이 보인다. 그럼에도 그 스펙트럼을 자세히 조사해 보면 차이를 발견할 수 있다. 어디까지나 색의 3원색만으로 총천연색을 만든다는 것은 우리의 착시현상을 이용하는 방식이라 할 수 있다. 실제의 빛은 수없이 많은 다양한 파장의 빛으로 이뤄져 있다. 3파장 형광등은 기존의 형광등보다는 천연색에 가깝지만 그렇다고 완벽한 것은 아니다. 태양빛이 100이라 하면 3파장 형광등은 80% 정도에 불과하다. 최근 5파장 형광등이라 해서 더 다양한 파장을 함유하고 있는 형광등이 발매되고 있다. 이제서야 점점 천연색에 가까운 장치들이 개발되고 있는 것이다. 

 

한때 초소형 레이저 프로젝터를 만들기 위해 SK 삼성 등의 각 회사에서 R,G,B 세개의 색 레이저만 가지고 어떻게 해서건간에 총천연색 프로젝터를 만들려 했던 시도가 있었지만 잘 생각해보면 애초부터 어림없는 시도라는 것을 알 수 있다. 단순히 700nm의 빛과 500nm의 빛을 섞어서 600nm의 빛을 만든다는 것은 불가능하다. 파동은 중첩될 뿐 우리 생각처럼 희석되지 않는다. 우리가 쓰는 붉은 색 광원은 다양한 붉으스름한 파장의 빛이 섞여있는 것이고 레이저는 정확히  한가지 파장에 근접한 빛만을 발사하게 된다. 700nm 레이저라면 705nm나 710nm의 빛은 거의 섞여있지 않다고 봐도 무방하다. 이것을 이용해서 총천연색을 만든다는 것은 결국에는 엄청난 어려움에 봉착하게 될 것이다. RGB 레이저로 총천연색을 만든다는 것은 처음부터 현명한 생각은 아니었다. 결국 SK와 삼성의 휴대폰용 프로젝터는 분출되는 빛의 파장이 레이저보다는 다양한 RGB 다이오드를 사용한다.