빛이 굴절률(refractive index)이 다른 매질에 입사 할 때 굴절되는 이유

  안녕하세요. 오늘은 글 제목 그대로 빛이 굴절률(refractive index)이 다른 매질에 입사할 때 빛이 꺾이는 이유에 대해서 그림으로 알아보도록 하겠습니다. '굴절률이 달라서 스넬의 법칙 (snell's law)에 의해 꺾인다'라고 말할 수 있는데 직관적인 감각을 키우기 위해 다른 방향으로 접근해 보도록 하겠습니다.

 

Fig 1. (a) 평면파의 파동의 마루와 골, (b) 평면파를 위에서 본 모습

  결론부터 말하자면 굴절률이 다른 매질에 빛이 입사할 때 빛이 꺾이는 이유는 파동에서 디른 매질에 입사하지 않은 부분의 위상과 다른 매질에 입사된 부분의 위상이 이어지면서 진행해야 하기 때문입니다. 무슨 소리인지 이해하기 위해 Fig 1을 살펴보겠습니다. Fig 1의 (a)는 평면파를 약간 측면에서 바라본 모습입니다. 파동의 마루 (파동의 최대점)와 파동의 골(파동의 최저점)이 표현되어 있습니다. 이 평면파를 위에서 본모습이 Fig 1의 (b)에 나타나 있으며 보이는 것과 같이 파동의 마루나 골이 끊기는 부분 없이 파동이 진행합니다.

 

Fig 2. (a)빛이 다른 매질로 입사될 때 굴절되지 않았을 경우, (b)빛이 다른 매질로 입사 될 때 굴절 되었을 경우

 

  Fig 2는 진공에서 진행하던 빛이 굴절률이 높은 매질에 비스듬하게 입사되는 상황을 나타내고 있습니다. 진공보다 굴절률이 높은 매질에서는 파장의 길이가 짧아집니다. 그래서 Fig 2의 (a)와 같이 다른 매질에서 빛의 진행방향 변경 없이 그대로 빛이 진행해버리면 진공 부분의 위상과 매질 부분의 위상이 서로 어긋나 버리게 됩니다. Fig 2의 (b)와 같이 다른 매질에서 빛의 진행방향이 바뀌어야 진공 부분과 매질 부분의 위상이 서로 어긋나지 않고 빛이 진행할 수 있게 됩니다. 따라서 빛이 굴절률이 다른 매질로 비스듬하게 입사할 때 굴절률이 다른 매질 내에서 빛의 진행방향은 바뀝니다.

 

끝.