※ 디자이너지만, 빛에 대한 궁금증을 더할수록 과학적인 설명이 필요하다.
이 내용은 필립스 교육자료와 기타 개인자료를 종합하여 정리한 자료이다.
과학자가 아니기때문에 다소 잘못된 설명이 있을 수도 있다. (관련 리플을 달아주면... 조치를 취하겠음.)
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우리는 빛을 정의할 때, 과학적으로 접근하여 설명한다.
맥스웰이라는 과학자에 의해, 빛이 새롭게 정의되었다.
» 전기와 자석, 전기장과 자기장을 같은 장(field)의 개념을 만들었다.
» 빛의 가산혼합과 물감의 감산혼합의 성질을 가진다는 사실을 파악하고, 빛의 삼원색을 발견했다. (1855년)
» 기체 역학에 대한 논문 및 색의 혼합과 스펙트럼 빛깔에 대한 논무을 발표했다. (1860년)
» R.G.B 필터를 통해 각각 촬영한 사진을 스크린에 컬러 투영하는 것을 최초로 시연, 성공했다. (1861년)
» 맥스웰은 전기, 자기, 빛에 관한 연구뿐만 아니라 광학, 역학, 열역학을 비롯하여 속도 제어 시스템과 기상학 등에
이용되는 응용 수학 이론들을 제시하여 후대에 큰 영향을 준 것으로도 평가된다.
(링크내용 요약)
topclass.chosun.com/topp/view.asp?Idx=398&Newsnumb=202002398&ctcd=C10
전기와 자기 그리고 빛을 통합한 사람上
제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)
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topclass.chosun.com/topp/view.asp?Idx=399&Newsnumb=202002399&ctcd=C10
전기와 자기 그리고 빛을 통합한 사람下
제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)
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전기와 자기파는 서로 수직으로 움직인다. 이것은 입자로 구성되어 있지 않기 때문에, 음파와 대조적으로,
그들은 진공 속을 통과할 수 있다. (소리가 진공속을 통과하면 태양과 별의 폭발의 소음을 매일 들을것이다.)
전자기파의 특성
» 파장의 한 꼭대기부터 다음 꼭대기까지의 거리를 파장(λ)이라고 한다.
» 전자기 복사의 많은 다른 특성들은 파장의 차이로 설명된다.
» 초당 진동수를 주파수(f)라고 한다.
(주파수는 헤르츠(Hz), 또는 초당 사이클 수. 전자기파의 주파수와 파장 사이에는 직접적인 관계가 있다.
그의 상대성 이론에서 알버트 아인슈타인은 진공에서 전자기 복사, 즉 빛의 속도가 가능한 가장 높은 속도일 뿐만
아니라 우주에서 유일한 진정한 상수라는 것을 발견했다.)
빛의 속도(c)는 초속 30만 km에 매우 가깝다.
"전자파 복사의 스펙트럼은 매우 넓다. 장파 무선송신의 파장(최대 2,000m)부터
단파 AM·FM라디오, 전자레인지, TV방송, 레이더 송신파(1m 이하 파장)까지 다양하다.
그리고 나서 우리는 1밀리미터 이하의 파장에 있는 열, 즉 적외선의 파장에 도달한다.
현재 우리는 780~380나노미터(밀리미터의 백만분의 10~9미터) 사이의 파장을 가진 방사선을 가지고 있는데, 이는 전자기 스펙트럼의 가시적인 부분이기 때문에 빛이라고 한다."
방사선과 빛에 대한 설명 요약
» 방사선이라는 단어는 우리에게 부정적인 느낌을 주지만, 빛이라는 단어는 긍정적인 느낌을 주며,
두가지는 과학적 관점에서 밀접하게 연결되어 있다.
» 우리는 매일 방사선에 끈임없이 노출되어 있다. 주변의 모든 물체는 지속적으로 방사선을 방출한다.
이러한 끊임없는 방사선의 교환을 이해하고 방사선에 방출되거나 흡수될 때, 어떤 일이 발생하는지 이해하고자 한다.
Radiation (방사능)
방사선은 원자로 및 방사성 폐기물과 연결시키지만, 집에 어떤것에도 방사선이 있다.
핵방사선과 방사선을 같은 말로 사용하고 있으니 좀 더 알아보자.
» 핵방사선은 크게 알파광선, 베타광선 감마선의 유형으로 나눠졌다.
(핵이 붕괴되어 원자를 다른 종류의 원자로 변형시키면서 방사선이 방출되면, 알파선과 베타선은 고속으로
방출되는 물질의 입자이며, 감마선은 매우 강력한 에너지 이다.)
핵 방사능이 살아있는 세포에 위험하여, 암과 선천적 결손으로 이어질 수 있다.
» 방사선이라는 단어는 고속 원자의 방출, 순수한 에너지를 방출하는 두가지를 의미한다.
감마선의 추가적 내용은 빛의 속도로 이동한다는 것이다. 감마선은 빛의 형태이고,
가시광선과의 차이는 감마선의 파장이 짧다는 것이다.
빛의 다양한 종류
감마선이나 가시광선, X선 및 전파, 자외선과 적외선 모두 빛이라는 단어로 두가지 의미가 있다.
사람이 볼수 있는 빛과 그렇지 않는 빛이다.
이러한 모호성을 피하기 위해 과학자들은 파장과 관계없는 모든 종류의 빛을 전자기 방사선이라는 용어로 사용한다.
모든 형태의 빛을 아래와 같은 연속 스펙트럼에 빗대어 설명할 수도 있다.
파장이 길수록 에너지가 줄어들고, 파장이 짧을수록 에너지가 더 많아, 빛이 세포를 손상시킬 수 있다.
(파장이 짧아질수록 방서선은 살아있는 세포에 더욱 위험하다. 감마선은 매우 짧은 파장이므로 특히 위험하다.)
방사선과 빛을 다시 말하면, 모든 형태의 빛은 일종의 방사선으로, 광원에서 직선으로 방사된다.
열복사
» 물체는 빛을 흡수 및 반사를 하게 되어 물체에서 나오는 가시광선의 양은 차이가 생긴다.
(그러나 흑체 방사선(가상의 방사선)의 개념으로 보면, 우리 주변의 모든것은 끈임없이
방사선을 방출한다고 밝혀졌다.)
» 방출되는 방사선의 양과 파장은 물체의 온도에 의해 결정된다.
(따뜻한 물에서 시원한 물보다 훨씬 많은 방사선이 방출되고, 따뜻한 물체의 파장이 더 짧다.)
» 이러한 온도와의 밀접한 연결 때문에 이러한 종류의 복사는 열복사라고 한다.
주변에 미치는 열복사의 영향
주어진 상황에서 동시에 여러가지 열교환 방법이 있을 수 있다.
예를 들어 아침 식사테이블에 앉아 커피한잔을 마신다고 상상할때, 방은 약간 시원하기에 스웨터를 입는다.
커피는 방에서 가장 따뜻한 것으로 30분 동안 그대로 두면 실온으로 식힐 수 있다는 것을 안다.
√ 그것은 전도에 의해서 이다.
머그잔과 커피 표면이 공기와 접촉하고 일부 열은 직접 접촉하기 위해 공기중으로 들어간다.
√ 다른 이유는 대류에 의해서 이다.
공기가 천천히 방 주위를 순환하고 커피로 데워진 공기가 빨리 제거되어 공기로 대체된다.
(대류가 아니라면 커피잔 주변의 공기층이 곧 가열되어 단열재로 작용한다.
스웨터를 입는 것은 몸 옆에 공기를 가두어 대류를 막아 절연층을 제공하는 것이다.)
√ 또 다른 이유는 물이 증발하기 때문에 액체에서 기체로 바꾸는데 에너지가 필요하기에 열손실이 된다.
√ 또, 또, 다른 이유는 커피잔이 실내의 다른 것보다 빠른 속도로 열복사를 방출하기 때문이다.
방사선은 에너지기 때문에 모든 물체는 에너지를 잃어 물체가 냉각되어야 한다.
(반면 열 복사가 근처에 다른 물체에 부딪히면 흡수하여 에너지를 얻고 따뜻해진다.)
땅과 하늘
밖으로 나가서 잔디밭에 있다고 생각해보자.
공기가 차가워진다. 가장 차가운 공기는 지면 근처에 있음을 알 수 있다. (차가운 공기는 가라않는다.)
(차가운 공기로 인해 지면은 식지는 않는다. 접촉면의 공기가 차가워지는 것이다.)
(차가운 유리창 근처에서 차가운 빛을 느낄수 있다. 이것은 피부가 창쪽으로 에너지를 방출하고,
유리는 훨씬 적은 양의 에너지를 방출한다.
유리는 실내에서 가장 차운 물체이무로 빠른 속도로 에너지를 잃고 피부를 차갑게 한다.)
고온 및 열복사
» 절대 온도가 영하(화씨-460도 / 섭씨 -273도)인 것을 제외하고, 모든 물체는 열복사를 방출한다.
» 물체에 의해 방출되는 열의 양은 물체의 온도에 의해 결정되며, 온도가 증가함에 따라 빠르게 증가한다.
» 열복사는 물체의 온도에 의해 결정된 파장 대역을 가로질러 방출되면,
온도가 대략 화씨 1000도(섭씨540도)를 초과함에 따라 적외선에서 가시광선으로 점차 변화한다.
» 환경을 공유하는 물체는 일반적으로 몇가지 매커니즘으로 열 에너지를 교환한다.
(열복사는 이러한 매커니즘의 하나이다.)
Light and Radiation 에 대한 설명
https://medium.com/the-philipendium/you-too-are-a-constant-source-of-radiation-4ed5da4e8bfb
Unraveling the Mysteries of Radiation and Light
The word “radiation” fills many of us with fear, while the word “light” is associated with cheer and hope. Yet, from a scientific…
medium.com
가시광선
태양이나 백열등에 의해 방출되는 백색 빛은 가시 스펙트럼의 모든 파장을 혼합한 것이다.
또한 스펙트럼에는 인접한 적외선과 자외선 영역에서 나오는 방사선이 포함되어 있다.
흰 빛을 성분 파장으로 분리하는 잘 알려진 방법은 프리즘을 이용한 것이다.
이렇게 얻은 스펙트럼은 무지개, 보라, 파랑, 초록, 노랑, 주황, 빨강 등의 친숙한 색을 나타낸다.
해당하는 파장은 다음과 같다.
Violet 380 - 435 nm
Blue 435 - 500 nm
Green 500 - 565 nm
Yellow 565 - 600 nm
Orange 600 - 630 nm
Red 630 - 780 nm
모든 파장이 인간의 눈에 같은 밝기의 인상을 주는 것은 아니다.
가장 높은 눈 민감도는 555 nm의 녹색 영역에 있다.
전자파 이론을 이용하면 빛의 속도 뿐만 아니라 반사, 흡수, 전달, 굴절, 간섭, 양극화 등의 측면도
계산하고 예측할 수 있다.
그러나 파장마다 다른 파장에 대한 방사선의 에너지 계산은 파장 이론으로는 불가능하다.
이 목적을 위해 우리는 빛이 양자 또는 광자 현상으로 보이는 이론을 적용해야 한다.
Electromagnetic quantum theory :전자기 양자 이론
막스 플랑크는 1900년에 방사선의 에너지가 분리된 분리할 수 없는 부분에서 방출된다고 가정했는데,
이를 콴타(quanta)라고 불렀다.
가시방사선(빛)의 경우 광자(光子)라는 용어를 사용한다.
방사선의 양자 에너지 함량은 주파수 또는 파장과 직접 관련이 있다.
E = h . f (or) E = h . c / λ
E = energy (Joule)
f = frequency (Hz)
h = Planck’s constant (6.626 x 10-34 J.sec)
c = speed of light in vacuum (2.998 x 108 m/sec)
λ = wavelength (m)
그래서 맥스 플랑크의 양자 이론을 통해 우리는 파장이 짧을수록 방사선의 에너지가 높다는 것을 알게 된다.
이것이 왜 우리가 전파에 문제가 없는지 설명해준다.
: 파장이 길어서 에너지가 낮다. 또한 자외선과 X선, 감마선의 강력한 (에너지가 풍부한) 짧은 파장에
주의해야 하는 이유도 설명해준다.
짧게 정리요약:
모든 물질은 방사선을 방출한다. 방사선은 파장과 주파수의 관계로 이루어져 있다.
빛은 방사선을 방출한다. 우리가 보는 가시광선은 380-780 nm 의 파장으로 파장이 길면 에너지가(열) 낮고, 파장이 짧으면 에너지(열)가 많다.