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빛에너지
빛에너지(light energy)는 전자기파의 일종인 빛이 가지고 있는 에너지를 가리킨다. 단위는 줄(J)이다. 빛에너지는 빛에 포함되어 있는 광자의 수와 광자의 진동수(파장)에 의해 결정된다.
광자의 에너지는 진동수에 의해 결정되며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
E = hν = h ∙ c/λ
h : 플랑크 상수
E : 에너지
ν : 진동수
c : 빛의 속도
λ : 파장
진동수를 나타내는 문자는 그리스 문자인 ν이며, 라틴 문자의 v가 아니다.
상세
빛에너지는 말 그대로 빛의 에너지이다. 일상적으로는 빛이 전자기파의 일부 영역에 해당되는 가시광선의 의미로 사용되므로 빛 에너지를 가시광선의 에너지로 사용할 수도 있지만, 넓은 의미로는 모든 전자기파의 복사에너지로 정의될 수 있다.
빛에너지는 빛의 속도로 진행하는 에너지의 흐름을 어떻게 보는가에 대한 빛의 성질과 관련하여 정의할 필요성이 있다. 빛을 광자처럼 입자로 보는가 또는 전자기파처럼 파동으로 보는가에 따라서 서로 다른 방법으로 접근할 수 있다.
빛을 입자로 취급하는 양자역학의 관점에서는 빛을 광자(photon)라고 불리는 입자들로 구성된 것으로 보는데, 각 광자의 에너지는 hf이다. 여기서 'h는 플랑크 상수(Planck's constant)라 불리는 상수이고, f는 빛의 진동수이다. 만약 진동수가 N인 광자의 갯수가 인 계(system)가 있다고 한다면, 이 때 이 계의 빛 에너지는 Nhf가 된다. 진동수(f)는 파장('λ)과
f = c/λ, c = (진공에서의 빛의 속도) = 3.00 × 10⁸ m/s
의 관계가 있기 때문에 광자 1개의 에너지를 구하기 위한 식으로 아래와 같은 두 가지의 표현이 모두 유용하다:
파장(λ)이 500nm 광자의 에너지는 위의 식을 이용하여 대략 3.97 × 10⁻¹⁹J 이 됨을 확인할 수 있다. 광자 1개의 에너지는 이처럼 매우 작은 값을 갖는데, 또 다른 에너지 단위인 eV 단위는 광자의 에너지를 표현하는데 매우 유용하다. 여기서 1eV 는 전자(electron) 1개를 1V 의 전위차로 옮기는데 필요한 일로 전자의 전하량 1.6 × 10⁻¹⁹C 에 1V 를 곱한 것이다:
1eV = (1.6 × 10⁻¹⁹C )(1V) = 1.6 × 10⁻¹⁹ J
위의 식과 같은 단위 변환을 통하여 파장(λ)이 500nm 인 광자의 에너지는 2.48eV 가 됨을 알 수 있다. 파장이 대략 400nm 에서 700nm 사이에 있는 가시광선 영역의 광자의 에너지는 대략 수 eV 라고 할 수 있다.
빛이 빛의 속도로 움직인다고 말하는데, 이는 빛의 에너지가 공간에서 진행한다는 것을 전제로 한다. 따라서 빛의 에너지 그 자체보다는 빛 에너지 밀도(단위 부피당 빛 에너지; u) 또는 빛의 에너지선속밀도(단위 시간 당 단위 면적을 지나는 빛 에너지; s)의 개념이 더 다루기에 편리하다. 에 에너지 흐름의 방향 정보를 더하면 포인팅벡터(Poynting vector), S가 되는데,
이 때, S와 u의 관계는 위의 빛 에너지(또는 전자기파 에너지)의 연속방정식을 만족한다.
전자기파의 에너지는 진동하는 전기장과 자기장의 에너지의 합으로 전기장 에너지만의 식으로도 쓸 수 있는데, 진공에서 전기장의 최대값이 E₀인 곳의 전자기파의 에너지 밀도의 시간 평균값이 (1/2)Ⲉ₀E₀²으로 주어진다. 즉 빛 에너지의 값이 크다는 것은 전기장의 진폭이 크다는 것을 의미하고, 양자역학적인 관점에서는 이 경우에 광자의 수가 많다고 얘기할 수 있다.
빛 에너지는 빛이 진행하면서 공간적으로 퍼지는 정도에 따라 그 에너지가 전달되는 정도가 많이 달라질 수 있다. 예를 들어 60W라고 쓰여 있는 백열전구에서 나오는 빛은 위협적이지 않지만, 출력이 0.5mW 이하라고 쓰여 있는 레이저포인터에서 나오는 빛이 눈에 직접 들어갈 경우 매우 위험할 수 있다. 백열전구보다 파워가 십만 배 이상 더 작은 레이저광이 더 위험할 수 있는 여러 가지 이유가 있지만 레이저광의 직진성이 일반적인 빛보다 훨씬 강하기 때문에 빛 에너지가 작은 면적을 통과하는 에너지가 훨씬 클 수 있기 때문이다. 이 경우 단위 시간 당 단위 면적을 지나는 빛 에너지, 즉 빛의 에너지선속밀도 또는 포인팅벡터의 크기의 평균값에 해당하는 복사 조도(irradiance)를 비교하는 것이 의미가 있다. 복사 조도의 SI 단위는 W/m²가 되는데, 복사 조도 값이 매우 큰 레이저광을 다루는 분야에서는 관습적으로 W/cm²와 같은 단위를 사용하는 경우도 있다.
빛 에너지는 우리의 눈에 보이는 형태라는 면에서 특이하다. 레이저 쇼에서 만들어지는 어떤 모양들을 보는 경우는 빛 에너지를 직접 보는 것은 아니지만 빛이 진행하는 경로에 있는 입자와 부딪혀서 우리의 눈으로 들어오는 것을 봄으로써 여러 가지 형상들을 보게 된다. 레이저광의 세기가 클수록 우리 눈에 더 많은 수의 광자가 들어오게 됨을 의미하므로, 간접적으로 빛의 세기 또는 빛 에너지의 크기를 가늠할 수 있다. 한편 방 안에 켠 전등의 경우는 전등으로부터 여러 방향으로 퍼진 빛이 물체를 맞고 우리 눈으로 들어옮으로써 방안 전체의 모양을 알 수 있게 한다.
위와 같은 방법으로 빛 에너지를 눈을 통해서 보는 것 이외에도 빛 에너지가 다른 형태의 에너지로 변환되는 것을 통해서 간접적으로 빛 에너지의 쓰임을 이해할 수 있다. 예를 들어, 식물에서 광합성이라는 과정을 통해 빛 에너지가 화학에너지로 변환되는데, 이산화탄소와 물로부터 합성된 포도당은 식물의 에너지원이 된다. 태양으로부터 오는 자외선은 우리 몸의 비타민 D를 형성하는 과정에서도 화학에너지로의 변환의 예를 볼 수 있다. 조리기구로 쓰이는 전자레인지(또는 마이크로웨이브 오븐)에 사용되는 극초단파의 빛은 물 분자를 진동하게 하여 음식의 온도를 올리는데 사용되므로써 열 에너지로의 변환이 되고, 원적외선(far infrared)은 유기화합물 분자에 잘 흡수되므로 우리의 몸을 따뜻하게 하는 방법으로 열 에너지로의 변환이 이뤄진다. 광전효과에서와 같이 광자의 에너지를 이용하여 물질에 있는 원자의 에너지를 높이는 방법으로 빛 에너지를 바로 전기에너지로 변환할 수 있다. 반대로 전기에너지, 화학에너지, 열에너지를 이용해서 빛 에너지, 즉 빛을 만들 수 있다.
참고자료
같이 보기
