굴절률 (refractive index)

  안녕하세요. 오늘은 굴절률(refractive index)이 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다. 우리는 스넬의 법칙(snell's law)을 통해 빛은 굴절률이 다른 두 매질의 경계에서 꺾인다는 것을 알고 있습니다. 여기서 말하는 굴절률의 근원이 무엇인지 조금 더 알아보는 시간을 갖겠습니다.

 

Fig 1. 유리판으로 입사하는 빛

  빛이 진공에 있는 광원에서 유리판에 입사되는 상황을 가정해보겠습니다. 빛은 전기장과 자기장이 진동하며 전파되어 나아가는 전자기파(electromagnetic field)이기 때문에 전자(electron)를 진동시킬 수 있습니다. 따라서 Fig 1과 같은 상황에서 빛이 유리판에 입사되면 유리판을 이루고 있는 원자에 속한 전자들을 진동시킬 수 있습니다. 전자가 진동하면 전자기파를 방출하기 때문에 빛을 받은 유리판의 전자들 역시 진동하여 새로운 전자기파를 방출해냅니다.

Fig 2. 유리판 내부를 진행하는 빛

  그렇기 때문에 유리판 내부를 진행하는 빛은 유리판에 있는 전자의 진동에 의해 방출된 전자기파에 영향을 받습니다. 이러한 영향은 전자의 진동에 의한 것이기 때문에 유리판의 전자 밀도, 전하량, 전자의 질량, 핵에 구속되어 있는 전자의 진동수 등이 유리판 내부를 진행하는 빛에 영향을 미칩니다. 전자에 관련된 정보들은 매질 내에서 빛이 어떻게 진행하는지 나타내는 굴절률과 관련이 있으며, 굴절률은 아래와 같은 수식 1과 같이 표현됩니다.

 

식1. 굴절률

 

  굴절률 식을 보면 입사되는 빛의 진동수에 따라서 빛이 느끼는 매질의 굴절률이 변화합니다. 왜냐하면 입사되는 빛의 진동수에 따라서 전자의 진동이 달라지기 때문입니다. 보통의 물질일 경우 전자의 공명진동수가 가시광선의 진동수보다 매우 크기 때문에 가시광선 영역에서는 굴절률이 거의 변하지 않습니다. 굴절률이 거의 변하지 않는다 하더라도 입사되는 빛의 진동수가 클수록 굴절률이 커지기 때문에 푸른색 빛일수록 더 많이 꺾입니다. 그래서 프리즘(prism)을 통과한 빛을 보면 푸른색 빛이 붉은색 빛 보다 더 아래쪽에 나타납니다.

 

끝.