하늘은 왜 파란가?
하늘은 왜 파란가?
하늘이 파란 이유는 공기중의 분자들(주로 산소나 질소)이 가시광선의 높은 주파수를 산란시키는 공명자 역할을 하기 때문이다. 공기중의 분자가어떻게 빛의 작은 공명자 역할을 하는가 알아보기 위해 소리에 대한 비슷한경우를 살펴보자. 특정한 진동수의 소리가 유사한 파동수의 소리굽쇠 쪽으로 발사되었다.소리굽쇠는 진동을 시작할 것이고 효과적으로 흡수된 소리빔을 모든 방향으로 재반향할 것이다. 즉 소리굽쇠는 소리빔을 산란시킨다. 입사파와 소리굽쇠의 진동수가 같을때 소리굽쇠는 진동이 최대로 일어나 공명하게 된다. 진동수가 일치하지 않을 때도 소리굽쇠의 진동이 강제로 일어나지만 공명의 경우만큼 강하지는 않다. 산란매체의 진동수와입사파의 진동수가 비슷할수록 더 많은 진동과 산란이 일어난다. 이것은 소리뿐만 아니라 빛에 대해서도 마찬가지이다. 대기속의 입자를 작은"광학적 소리굽쇠(optical turning forks)"라고 생각할 수 있다.입자가 작을수록 고유진동수는 더 크다(큰 종보다 작은 종이 더 높은 음을 낸다).입자(또는 물체)가 작으면 고유진동수도 크지만 산란도 잘된다. 적은 입자에 의한 최초의 양적연구는 1891년 Rayleigh에 의해서 이루어 졌으며 이러한 산란을 종종 Rayleigh현상이라고 부른다.예기할 수 있는 바와 같이 산란의 세기는 산란입자의 체적의 제곱과 입사세기에 비례한다는것이 나온다.그러나 가장 흥미로운 결과는 산란이 파장에 달려있다는 것이다. 입자의 일정한 크기에 대하여 긴 파는 짧은 파 보다 산란이 잘 안되는것이다. 왜냐하면 짧은 파 보다 긴 파에 대하여 입자는 더욱 작은 것 인데 인데 입자는 파를 방해하기 때문이다.실제로 산란정도는 1/(λ4)에비례한다. 파장이 720nm의 적색광은 파장이400nm의 보라색광보다 파장이1.8배이니까 이 두 색의 파장보다 짧은 입자는 보라색광을 (1.8)4배즉 10배 더 산란하는 것을 이 법칙은 예언한다.아래 표와 그림은 빛의 각 색에 대한 산란정도를 나타낸것 이다.
산란정도 ∝ν4, 또는 ∝1/(λ4) 만약 백색광이 담배연기같은 아주 작은 입자로 부터 산란된다면 산란된 광은 항상 푸른색을 띈다. 만약 입자의 크기가 증가하여 파장에 비하여 적지 않다면 입자의 표면에서의 난반사의 결과로써 빛은 희게 된다. 대단히작은 입자에 대해서는 푸르게 보이며 그 색이 입자의 크기에 달려 있는 것을 Tyndall이 처음 실험적으로 연구하였다. 그의 이름을 연관시켜 가끔Tyndall현상이라 한다. 대기의 대부분을 차지하는 질소와 산소분자는 전자기파 스펙트럼중에서자외선의 고유진동수를 가진 매우 작은 공명자(resonators) 이다. 태양으로부터 오는 자외선은 대기의 질소와 산소에 의해 산란된다.보라빛은 분자공명을 일으키기에는 진동수가 너무 낮지만 강제성 진동과 보라색 산란을 일으키기에는 충분한 정도의 진동수를 갖는다. 한편 위의 표에서와 같이 태양광선이 대기에 들어올때 보라와 푸른빛은 대부분 산란되고 초록, 노랑, 주황, 빨강의 순으로 산란이 적게된다. 비록 보라빛은 푸른빛보다 대기중의 공명자로 부터 더 많이 산란되지만 사람의 눈은 보라보다는 푸른빛에 훨씬 더 민감하므로 우리가 보는 하늘의 합성색은 연한 푸른빛으로(light blue) 나타난다. 재미있는 사실은 공기중의 질소나산소분자보다 훨씬 더 큰 수많은 먼지나 입자로 들어차 있을 때 더 많은 진동수의 빛이 더 많이 산란되어 하늘은 덜 푸르게 보이고 더 희끄무레한색으로 물들게 된다는 것이다. 그러나 심한 폭풍우 뒤에는 입자들이 씻겨나가므로 하늘은 짙은 푸른색으로 변한다. |
생활속의 물리학