프리즘

플라스틱 프리즘

프리즘을 통과하는 빛의 분산

프리즘(Prism)은 빛을 굴절, 분산시키는 광학 도구이다. 일반적인 프리즘은 단면의 모양이 정삼각형이고 표면은 평탄하며 유리와 같은 투명한 재질로 이루어져 있다. 영어의 프리즘은 각기둥을 뜻하기도 하나 한국어에서는 광학 도구를 가리키는 말로만 쓰인다. 프리즘은 대개 유리로 만들지만 빛의 파장을 통과시킬 수 있는 것이라면 어떠한 재질이든 상관없이 프리즘으로 사용될 수 있다.

일반적으로 삼각기둥 모양을 프리즘으로 사용하는 이유는 다른 모양의 기둥보다 삼각기둥의 모양으로 인하여 굴절이 더욱 잘 이루어지기 때문이다.

개요

프리즘은 빛의 분산이나 굴절 등을 일으키기 위해 유리나 수정으로 만들어진 기둥 모양의 광학 장치로 일반적으로 삼각 기둥 모양이다.

빛을 굴절시킬 수 있는 광학적 평면을 2개 이상 가진 투명한 물체로서 적어도 한 쌍의 면은 평행이 아니어야 한다. 그리고 빛의 굴절을 이용하여 색깔이 나누어지는 분산 현상이 일어나려면 프리즘의 재료가 되는 물질의 굴절률이 공기의 굴절률과 약간 달라야 한다. 따라서 굴절률이 유리와 비슷한 물질이고 투명하면 무엇이든지 프리즘의 재료가 될 수 있다.

빛을 프리즘에 통과시켜서 분산시키면 다양한 빛의 스펙트럼을 얻을 수 있고, 이런 방법으로 인공적으로 무지개색 띠를 만들 수 있다. 프리즘은 주로 삼각 기둥 형태이지만 용도에 따라 다각기둥이나 다각뿔, 또는 원뿔, 구형의 프리즘도 사용한다. 프리즘의 소재로는 주로 광학적 유리를 쓰는데, 자외선·적외선에 대해서는 유리 대신 수정·암염(岩鹽) 등을 쓴다. 기능상 분광프리즘·전반사프리즘·편광프리즘으로 나눈다.

원리

빛은 공기와 유리같은 서로 다른 매질을 통과할 때 두 매질의 경계면에서 굴절한다. 이때 굴절하는 각도는 파장에 따라 다르다.(호이겐스의 원리) 특정한 파장의 빛이 두개의 투명한 매질을 통과하는 빛의 굴절률은 매질마다 고유한 값을 갖는다.(스넬의 법칙)

가시광선은 매우 다양한 파장의 연속적인 집합체이다. 프리즘을 통과하는 가시광선은 각각의 파장에 따라 서로 다른 각도로 굴절하며 두번의 굴절을 통해 분산된다. 분산된 가시광선은 파장에 따라 빨강에서 보라에 이르는 색을 띠게 된다. 그 결과 프리즘을 통과한 가시광선은 무지개와 같은 스펙트럼을 나타낸다. (그림 참조)

일정한 조건에서 프리즘은 전반사를 일으킨다. 이러한 성질을 이용하여 프리즘을 거울과 같이 사용할 수 있다.

효과

빛의 분산

빛은 진동수에 따라 고유한 에너지 값을 가지고, 진동수에 따라서 굴절률이 다르다. 기본적으로 진동수는 굴절률과 비례 관계를 나타내며, 이때 '분산 프리즘'을 사용하면 파장/진동수에 따른 빛의 굴절률 차이를 통해 빛을 파장대에 따라서 여러 광선으로 분리시키는 것이 가능하다. 햇빛이나 백열등에서 나오는 백색광을 프리즘에 넣었을때 무지개처럼 빛(가시광선)이 여러가지 색으로 나뉘는 것도 이것 때문이다.

프리즘에서 빛의 분산

빛의 반사

프리즘을 사용하여 빛을 분산하거나 굴절시키는 것 뿐만 아니라, 빛을 반사할 수도 있다. 이는 입사각이 임계각보다 커질때 빛이 전반사 하는 현상을 활용한 것이다.

반사 횟수에 따라서 최종적으로 프리즘에서 나오는 상의 방향이 달라진다. 반사 횟수가 홀수인 경우 거울처럼 상이 뒤집어져서 나오며, 반대로 반사 횟수가 짝수인 경우 상이 돌아갈지라도 입사된 물체와 동일한 방향으로 나온다.

이 반사 기능을 이용해 잠망경이나 SLR에서 사용된다.

종류

• 직각프리즘
• 포로프리즘
• 다하프리즘
• 도브프리즘
• 펜타프리즘(오각프리즘)

스펙트럼의 파장의 길이와 관련이 있는데, 단파장인 보라색이 제일 크게 굴절하며 장파장인 빨간색이 제일 적게 굴절한다.

프리즘과 광학

아이작 뉴턴 이전 시기에 일반적인 인식은 가시광선은 색이 없다는 것이었다. 뉴턴은 프리즘을 통한 실험을 통해 빛을 분산, 결합하여 가시광선 안에 이미 모든 색상이 들어 있음을 증명하였다. 뉴턴은 자신의 실험을 바탕으로 1704년 《광학》을 집필하였다. 후일 토머스 영과 크리스티안 하위헌스는 가시광선의 분산과 합성을 바탕으로 파장 이론을 성립하였다.

참고자료

• 〈프리즘〉, 《위키백과》
• 〈프리즘(광학)〉, 《나무위키》
• 〈프리즘〉, 《두산백과》

같이 보기

• 광학
• 굴절
• 가시광선
• 각기둥
• 삼각기둥

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