빛의 굴절, 굴절률 이야기

 굴절률, 다 그렇지만 이야기하자면 끝이 없다. 필자의 능력 밖의 이야기까지 해야 할지도 모른다. 이 블로그를 광학도를 대상으로 쓸 것인지, 불특정 다수를 대상으로 쓸 것인지 갈피를 잡지 못하고 있다. 이 점을 양해를 바란다. 일단은 불특정 다수를 대상으로 쓰려고 노력해보겠다.

사진 출처 : 지학사

 앞선 포스팅에서 굴절률을 잠깐 언급했다. 빛의 속력이 조금 느려지는 것과 굴절률이 무슨 상관이 있을까? '굴절률'이란 단어부터 뜯어보자. 한글의 단어는 대부분 한자로 이루어져 있다. 때문에 이 과정이 중요하다고 생각한다. 

 먼저, 굴절-률(屈折-率)로 나눌 수 있다. 굴절은 굽어지고 꺾어진다는 말이다. 우리는 굴절을 경험적으로 알고 있다. 우리 주변에 있는 '물', 물속에 어떤 물체가 있다. 그것을 집으려고 곧장 손을 뻗으면, 그 물체는 없고 약간 옆에 있다. 또, 긴 막대를 물 속에 넣으면 꺾여 보인다. 그렇다고 물체가 실제 꺾인 것은 아니다. 인간 경험사(史)적으로 서술했다.

 률은 비율이다. 여기서 드는 의문, '굴절에도 비율이 있다는 말인가?' 그 의문의 대답은 '그렇다.'이다. 때에 따라(매질에 따라) 더 많이 꺾이고 더 적게 꺾이는 것이 있다는 이야기이다. 굴절이 된 것을 보려면 결국 눈으로 보아야 한다. 빛이 관여해야 한다는 말이다. 이 비율은 광속에 있다. 광속은 어느 물질에 들어갔을 때 느려지는 현상을 겪는다. 앞서 말했듯이 공기 중에서는 진공과 느려지지만, 거의 비슷한 속도이다. 물과 유리 등을 통과할 때는 더 느려진다. 이를 계산한 것이 굴절률이다.

 굴절률은 통상 n으로 표현한다. c는 앞서 말했듯이 진공에서의 광속이다. v는 어떤 매질 내에서의 광속이다. 여기에 함정이 하나 있다. 균질한 매질일 경우이다. 쉬운 예로 유리를 들어보자. 유리 안에 불순물들이 끼여있다면? 광속은 당연히 불규칙하다. 단순히 유리의 굴절률 n을 단정 짓기 어렵다. (다른 의미의 균질성이 있지만 넘어가자.) 

 어쨌든, 진공의 n은 당연히 1, 공기도 1로 계산하지만 1은 아니다. (1.0003 정도?) 물은 통상 1.3으로 계산하고, 유리는 종류마다 다르다. 종류를 제하고, 단순 계산이라면 1.5 정도가 적당하겠다. 설계를 위해 굴절률이 필요하다면, 제조사에 굴절률 데이터를 요청해서 받아봐야 한다. (제조사에 데이터를 받아보면 아마 굴절률이 여러 개일 것이다. 파장별로 다르기 때문이다.)

 이를 광선이라는 것을 통해 정리한 것이 스넬의 법칙이다. 빛은 매우 복잡한 존재이다. 때문에 광선은 이상적인 개념이다. (이를 이해 못하는 한 기업의 연구소장과 설전을 벌인 적이 있다. 백 번 양보해서 레이저면 이해를 하겠다. 아무튼 아직도 복창 터진다.) 스넬의 법칙, 광선 등은 따로 포스팅하기로 하고 마무리 짓겠다.