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어둠상자
어둠상자(dark box)는 외부에서 빛이 전혀 들어오지 못하도록 차단한 직육면체 모양의 상자를 말한다. 상자 내부에 빛이 존재하지 않아야 하기 때문에, 상자의 내부는 빛을 모두 흡수하는 검정색을 띠도록 하고, 상자의 재질은 빛이 투과할 수 없는 재질을 사용한다.
빛의 특성이나 진행 경로를 관찰하는 실험도구로 주로 사용되며, 이를 위해서 어둠 상자 외부에 바늘 구멍과 같은 작은 구멍을 뚫기도 한다. 구멍이 뚫린 어둠 상자 내부에 전구로 불을 밝힌 다음, 작은 구멍을 통해 물체가 비치는 모양을 관찰함으로써 빛의 특성 중 하나인 빛의 직진성(直進性)을 확인할 수 있다. 또한 바늘 구멍 사진기를 만들 때에도 어둠 상자를 사용한다. 상자 한 쪽 면에 작은 구멍을 만들면 물체가 어둠 상자 내부에 상(像)으로 맺히는데, 물체에서 나온 빛은 직진하여 바늘 구멍에서 수렴한 이후, 어둠 상자 내부에 상하좌우가 바뀐 상으로 맺히게 된다.
이러한 어둠 상자의 원리가 실제 적용된 것으로 카메라를 들 수 있다. 카메라 본체 내부가 어둠 상자의 역할을 하므로, 카메라 내부에 빛이 존재하지 않아 렌즈를 통해 들어온 빛만이 상으로 맺히게 되는 것이다.
상세[편집]
어둠상자는 외부에서 들어오는 빛을 완벽히 차단하도록 주로 직육면체 모양으로 설계된 상자이다. 검은색 종이 혹은 빛이 투과할 수 없는 재질로 만들 수 있다. 간단한 어둠상자 실험은 빛의 특성을 이해하고, 대상물체를 어떠한 과정을 통하여 눈으로 관측하게 되는지를 이해할 수 있는 간단한 실험이다. 또한 어둠상자를 이용하여 간단한 바늘구멍 사진기를 제작할 수 있고, 사진기 내부에 상이 상하좌우가 바뀌어 맺히는 실험을 통해 빛이 직진하는 특성을 검증할 수 있다.
그림 1은 어둠상자 실험 및 간단한 어둠상자 제작을 위해 필요한 요소들 (어둠상자, 전구, 소켓, 스위치, 전지, 전지 끼우개, 전선, 검은 빨대 3개, 대상물체 등)을 보여준다. 어둠상자는 구입할 수도 있지만 직접 검은 종이로 도면을 제작해서 간단히 만들 수도 있다. 어둠상자 실험에서 가장 중요한 것은 빨대 위치인데 (그림 1 참조), 1번 빨대는 대상물체를 향해 곧게 하고, 2번 빨대는 대상물체를 향하나 어둠상자 밖에 위치한 빨대의 주름을 이용해 구부러뜨리고, 3번 빨대는 곧으나 대상물체를 향하지 않게 한다. 어둠상자 안에 전구를 넣고 전지, 전선으로 회로를 구성한 후, 뚜껑을 덮어 외부의 빛이 들어가지 못하게 한다.
- <어둠상자 실험 순서>
1) 회로의 스위치를 연 상태에서 각각 빨대를 통해 어둠상자 내부가 암실인지 확인한다. 이 실험으로 물체를 관측하기 위해서는 우선 광원(light source)이 있어야 한다는 것을 알 수 있다. 즉, 빛이 없으면 대상이 실제로 존재하더라도 눈으로 관측할 수 없다.
2) 회로의 스위치를 닫고 각각 빨대를 통해 어둠상자 안에 있는 대상물체가 보이는지 확인한다. 이 실험으로 대상물체가 보이는 빨대는 대상물체를 향해 곧게 뻗은 1번 빨대임을 알 수 있다. 이는 전구에서 나온 빛이 대상물체에 반사되어 곧은 빨대를 통과한 후 관찰자의 눈에 감지되기 때문이다. 구부러진 2번 빨대는 대상물체를 향하고 있지만 반사된 빛이 빨대의 구부러진 부분에서 막히기 때문에 관측되지 않는다. 곧은 3번 빨대를 통해서는 어둠상자의 내부 일부분을 관측할 수 있다. 그러나 빨대가 대상물체를 향하지 않기에 대상물체에서 반사된 빛이 빨대에 들어가지 않는다. 이와 같이 간단한 어둠상자 실험을 통하여 빛의 중요한 성질인 직진성(rectilinear propagation)을 확인할 수 있다. 또한 대상물체를 관측하려면 빛이 대상물체에 반사되어야 한다는 것도 알 수 있다.
빛은 같은 매질 속을 통해 진행할 때 곧게 나가는 직진성이 있다. 이를 확인할 수 있는 다른 간단한 실험은 그림자 형성인데, 빛이 진행하는 경로에 대상물체가 있으면 이에 막혀 빛이 더 이상 진행하지 못하기 때문이다. 즉, 그림자는 물체에 가로막혀 빛이 닿지 않는 부분에 해당한다. 사실 이와 같은 현상에 의해 일식 및 월식이 일어나는 것이다. 그림 2는 일식이 일어나는 원리를 보여주고 있다. 또한 빛의 직진성은 손전등, 문틈 사이로 비치는 햇빛, 자동자의 전조등, 프로젝터(projector), 레이저(laser) 등을 통해 용이하게 관측할 수 있다.
한편, 일반 상대성 이론(theory of general relativity)에 의하면 진행하는 빛의 운동을 가속운동계에서 관측하면 빛의 경로가 휘어지는 것을 관측할 수 있다. 그러나 이 현상은 빛의 직진성에 위배되는 것은 아니며, 오히려 빛이 휘어진 시공간에서 직진하기 때문에 보기에 휘어져 보일 뿐이다. 이와 같은 현상을 중력 렌즈 효과(gravitational lensing)라고 한다. 또한, 빛이 조리개(aperture)를 통해 진행할 때 빛의 파면이 수정되어 진행 경로가 휘어지는 것처럼 관측되지만, 이는 빛의 회절(diffraction)에 의한 현상이므로 역시 빛의 직진성과 직접적으로 대립되지 않는다.
빛 혹은 광선(beam)의 직진성은 기하광학(geometrical optics)의 가장 중요한 원리다. 기하광학은 물리적으로 일어나는 빛의 간섭(interference) 및 회절(diffraction)을 고려하지 않기에 광선 독립의 원리가 적용된다. 이는 여러 방향에서 진행한 광선들이 한 점에서 교차하더라도 각각의 광선은 상호작용하지 않고 각자 독립적으로 진행한다는 것을 의미한다. 한 점에 위치한 광원으로부터 나온 광선이 임의의 경로로 다른 점에 도달한다고 가정했을 때, 광원을 도착지점에 위치하면 광선은 동일한 경로를 정반대로 진행하여 이전 점으로 간다. 이를 광선 역진의 원리라고 한다.
직진하는 빛은 다른 매질을 만나면 경계면에서 일부는 반사가 되고 일부는 투과가 된다. 여기서 반사되는 비율을 반사도(reflectance)라고 하고, 투과되는 비율을 투과도(transmittance)라고 한다. 반사도와 투과도는 경계면에서 빛을 이루고 있는 전자기파(electromagnetic wave)의 경계조건(boundary condition)을 고려하여 계산할 수 있고, 각각 매질의 굴절률(refractive index)과 입사각(angle of incidence)의 함수로 나타낼 수 있다.
빛이 유한한 입사각으로 다른 매질의 경계면을 통과할 때 경로가 급격히 바뀌는데, 이를 빛의 굴절현상(refraction)이라고 한다. 이에 해당하는 굴절각(anlge of refraction)은 스넬의 법칙(Snell’s law)으로 설명할 수 있다. 이 법칙은 굴절률이 다른 매질의 경계면에서 단색광( monochromatic light)의 입사각 (θi)과 굴절각 (θt)사이의 관계를 나타낸 공식이다. 그림 3은 공기 (ni=1)와 유리 (nt=1.5) 경계면을 통해 빛이 진행할 때, 빛의 굴절을 설명하는 스넬의 법칙 (nisinθi=ntsinθt)을 나타낸 모식도 이다. 경계면에서 광선의 진행 방향이 바뀌지만 다른 매질을 통해 빛은 계속 직진한다. 기하광학의 반사의 법칙에 의하면 반사각(θr)은 입사각과 같다.
어둠상자 실험에서 쓰이는 간단한 전구 빛은 백색광(white light)이며, 이는 사람의 눈으로 인식할 수 있는 전자기파(electromagnetic wave)를 포함하고 있다. 가시광선(visible light)의 파장(wavelength) 범위는 대략 400 nm ~ 700 nm 이며, 프리즘(prism)을 이용하여 가시광선을 이루는 각각의 단색광으로 분산시켜 무지개를 생성할 수 있다. 그림 4는 프리즘을 통과한 백색광이 무지개로 분산되는 것을 보여준다. 이와 같은 분산효과(dispersion)는 프리즘의 굴절률이 파장의 함수이기 때문에 일어난다. 즉, 각각 단색광의 경로 및 이동 속도가 약간씩 다르기 때문에 무지개가 형성되는 것이다. 공기 중에서는 분산효과가 미미하기에 단순히 광선의 직진으로 무지개를 얻을 수는 없다.
어둠상자를 이용하여 간단한 바늘구멍 사진기를 제작할 수 있다. 암실의 한 면에 작은 구멍을 만들면 반대편 벽에 밖의 풍경이 비쳐 보이는데, 이는 바늘구멍 사진기의 작동원리이다. 특히 맺히는 상의 상하좌우가 바뀌는데 이는 빛의 직진현상으로 이해할 수 있다. 여기서 바늘구멍의 크기는 어둠상자 안에 맺히는 상의 밝기와 선명도를 결정한다. 일반적으로 작은 구멍을 사용해야 선명한 상을 얻을 수 있다. 구멍이 커질수록 상이 밝아지기는 하나, 점차 상이 흐려지는 특징이 있는데, 이는 카메라의 조리개 역할과 밀접한 관련이 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
