여러가지 색이 나타나는 방법
- 과학
- 2023. 1. 28.
물체의 색
우리가 주변에서 찾을 수 있는 많은 물체들은 색을 가지고 있습니다. 이러한 물체의 색은 태양이나 전등 등의 광원으로부터 물체에 도착한 빛 중 물체가 흡수하지 않고 반사한 빛의 색으로 결정됩니다. 이와 같이 물체가 특정 색의 빛을 흡수, 또는 반사하면 우리가 그 색을 볼 수 있습니다. 그런데 하늘에 걸리는 무지개나 비누 거품의 막, CD나 DVD의 은색 면은 보통 물체와 달리 빛의 흡수와 반사로 색이 보이는 것은 아닙니다. 어떤 구조로 색이 생기는지 생각해 봅시다.
무지개의 색
1666년 영국의 아이작 뉴턴은 무색의 태양광을 프리즘에 통과시키면, 태양광이 분해되어 빨강에서 보라색까지 연속적으로 변화하는 빛의 색 띠가 나타나는 현상을 실험으로 나타냈습니다. 이러한 현상을 빛의 분산이라고 합니다. 그리고 뉴턴은 무색의 태양광이 적색에서 보라색까지의 색깔의 빛이 섞인 것임을 발견했습니다. 이러한 빛을 백색광이라고 합니다. 빛의 색은 파장의 차이이며, 파장이 짧은 쪽에서 길어짐에 따라 보라색에서 빨간색으로 변합니다. 물질 속에서 빛의 속도는 빛의 파장이 짧을수록 느려집니다. 따라서 파장이 짧은 빛은 파장이 긴 빛보다 더 크게 굴절합니다. 태양광을 프리즘에 통과시키면 빛의 색이 적색에서 보라색이 됨에 따라 크게 굴절하기 때문에 빛이 분산되어 빛의 색 띠가 나타납니다. 하늘에 걸리는 무지개도 공기 중에 무수히 존재하는 물방울로 빛이 굴절함으로써 생긴 빛의 색 띠로, 그 기본적인 원리는 프리즘에서 빛의 색 띠가 생기는 원리와 같습니다.
비누 거품이나 유막의 색
비누 거품의 막이나 수면에 퍼진 유막은 무지개 색처럼 보입니다. 그러나 비누 거품의 막과 유막의 색은 무지개와는 다르게 박막에 의한 빛의 간섭에 의해 발생합니다. 간섭이란 복수의 파가 겹쳐 있을 때, 파가 강하게 하거나 약해지거나 하는 현상입니다. 빛의 파와 파가 서로 간섭할 때, 파의 마루와 골이 겹치는 조건에서는 빛이 어두워지는 상쇄적 간섭이 일어나게 되고, 파의 마루과 마루이 겹치는 조건에서는 상보적 간섭이 일어나 빛이 밝아집니다.
다음 그림과 같이 만들어진 얇은 막에 빛이 닿으면, 반사면1에서 빛의 일부는 표면에서 반사되지만, 표면을 통과하며 굴절되어 들어간 빛은 다시 반사면 2에서 반사됩니다. 이 두개의 빛은 사실 하나의 빛이었지만 나올때는 두개로 분리되어 서로 간섭현상이 발생합니다. 그리하여 막의 표면에 색이 마치 줄무늬처럼 보입니다. 비누 거품과 유막의 무지개 색의 패턴이 다양하게 변화하는 것은 막의 두께가 바뀌기 때문입니다.
풍뎅이 같은 곤충이나 고등어 같은 물고기의 몸은 금속과 같은 광택이 나는 것 같지만, 이들도 얇은 막이 몇 장이나 쌓인 다층막에 의한 빛의 간섭에 의한 것으로 금속 광택과는 다릅니다.
CD나 DVD의 색
CD나 DVD의 은색의 면을 들여다보면 거울처럼 자신의 얼굴이 비치지만, 동시에 무지개 같은 빛의 색 띠가 보입니다. 이 디스크의 은색 면에는 트랙이라고 불리는 원형으로 공간을 나누고, 그 안에 피트라고 불리는 작은 홈이 파여 있으며, 그 배열에 의해 정보를 기억하고 있습니다. 트랙과 트랙의 간격은 CD가 1.6μm로, mm당 625개의 트랙이 규칙적인 간격으로 늘어서 있습니다. 파동은 장애물을 통과하거나 지나갈때 확산되는 성질이 있는데, 이것을 회절이라고 합니다. 파동이 회절하게 되면 물체를 지나치면서 확산하기 때문에 물체로 인해 가려져 있던 부분에까지 파동이 닿게 됩니다. 빛도 파동의 성질을 가지고 있기 때문에 빛이 미세한 물체에 닿으면 회절 합니다. CD나 DVD의 규칙적으로 새겨진 홈에 빛이 닿으면, 빛은 회절을 일으켜, 디스크의 표면에서 다양한 방향으로 퍼지도록 반사합니다. 이 때 빛의 파장도 간섭이 일어나 빛이 나오는 각도에 따라 특정 색의 빛이 강해지거나 약해지거나 합니다. 이것이 연속적으로 반복되어 전체적으로 무지개 같은 빛의 색 띠가 보입니다. 이와 같이 CD나 DVD에서 발생하는 무지개 색은 디스크의 면에 규칙적으로 미세하게 새겨진 홈에 의한 빛의 회절과 간섭에 의해 생깁니다. 물체의 미세한 구조에 의해 회절이나 간섭으로 생기는 색을 구조색이라고 합니다. 구조색으로 무지개색을 볼 수 있는 것은, 광원이 원래부터 다양한 색의 빛을 포함한 백색광이기 때문입니다.