가시광선의 파장 범위 측정

뉴턴의 프리즘 실험에서 놓친 것

영국의 물리학자 아이작 뉴턴이 1666년에 태양광을 프리즘으로 분광하여 스펙트럼의 관찰을 한 실험은, 뉴턴이 1704에 출판한 '광학'에 상세하게 기술되어 있습니다. 당시 뉴턴은 빛을 파장으로 생각하고 있지 않았기 때문에, 가시광선의 연속 스펙트럼의 각부의 색을 굴절각과 관련지어 설명하고 있습니다. 그러므로 뉴턴은 빛의 색에 대한 설명에서 파장을 언급하지 않습니다. 이후 다른 과학자들의 스펙트럼 실험에서도 한동안 빛의 색과 파장이 관련되어 있다고 생각하지 않았습니다. 적외선을 발견한 프레드릭 윌리엄 허셜도, 자외선을 발견한 요한 빌헬름 리터도 빛과 파장의 관계에 대해서는 전혀 언급하지 않았습니다. 여러 상세한 실험이 행해지고, 여러가지 빛에 관한 의문들이 풀려 났음에도 불구하고, 빛의 색과 파장의 관계만은 남겨져 있었습니다.

빛이 파장이라고 결론 내린 사람

뉴턴의 시대에도 크리스티안 호이겐스나 로버트 훅 등 빛이 파장일 것이라고 생각하고 있던 과학자는 있었지만, 빛이 파장임을 증명하는 곳까지는 다다르지 못했습니다. 빛의 파장은 너무 작기 때문에 당시의 기술로 빛의 파장을 측정하는 것은 매우 어려웠습니다. 빛이 파장임을 밝힌 것은 토마스 영입니다. 영은 1790년대에 의학을 배우고, 시각, 색각, 청각, 음성에 대해 연구했습니다. 그 연구를 계기로, 이윽고 광학에 흥미를 가지게 되어, 빛의 정체가 무엇인가를 생각하게 되었습니다. 영은 1773년에 태어났고, 뉴턴은 1727년, 호이겐스는 1695년, 훅은 1703년에 사망하였습니다. 그러므로 영은 빛의 입자설과 파동설의 싸움이 한창인 와중에 있었던 것이 아닙니다. 영이 태어났을 무렵에는, 이 싸움은 이미 빛의 입자설의 승리로 결론이 내려져 있었으며, 그 후로도 뉴턴이 제창한 설이 뒤집히지 않았습니다. 그러나 영은 소리는 공기중을 전해지는 파동에 의해 생기기 때문에, 빛도 파장일 것이라고 하는 생각에 이르렀고, 빛이 파장임을 알아내기 위해 연구를 진행했습니다. 그리고 1800년에 '소리와 빛에 대한 실험 및 이론적 연구에 관한 논의'라고 하는 논문을 발표했습니다. 이 논문은 세계에서 처음으로 파동의 간섭의 원리에 대해, 소리와 빛의 비교를 통해 빛의 동작을 설명하고 있습니다. 그러나 간섭의 현상은 소리의 파동에 대한 설명이었고, 빛의 간섭으로까지 충분히 확장되지 못 했습니다. 영은 그 후에도 빛의 간섭 실험을 진행해, 유명한 영의 실험(이중 슬릿의 실험)으로 빛의 파동를 간섭시켜 빛이 파장인 것을 증명했습니다. 이 실험은 영이 1807년에 발표한 '자연철학 강의'에 게재되고 있습니다.

뉴턴의 스펙트럼을 파장과 관계짓다

영은 1801년에 간단한 회절 격자를 사용하여, 격자의 홈 간격으로부터 파장을 계산했습니다. 영이 사용한 회절 격자는 인치당 500개의 홈이 새겨진 유리판이었습니다. 이 회절 격자에 45도로 태양광을 입사시키면, 빛의 간섭에 의해 밝기에 따라 4개의 영역이 나타났습니다. 회절각의 sin인 정수 1:2:3:4에 따라 증가하고 있기 때문에, 영은 태양광의 파장을 구할 수 있었습니다. 영의 계산에서 가시광선의 범위는 424nm 내지 675nm의 빛으로 되어있습니다. 이것은 영의 1802년에 정리한 논문인 '빛과 색이 이론에 관하여'에 게재되어 있습니다. 사진은 논문의 39페이지의 표로, 그 결과가 정리되어 있습니다. 이 표의 파장 단위는 인치입니다. 빨간색 끝과 보라색 끝을 미터로 변환해 봅시다. Red Extrema는 0.0000266인치 입니다. 1인치는 2.54cm이므로 0.0254m입니다. 0.000026inch × 0.0254m/inch = 0.00000067564m. 이것에 10^9를 곱해서 nm로 하면, 675.64 nm가 됩니다. 마찬가지로 Violet Extrema는 0.0000167인치 이므로 424.18nm 입니다. 실은 소수점의 아래 3자리의 숫자에 2.54를 곱하면, 정확히 nm 단위가 됩니다.