빛의 간섭

빛의 간섭

빛이 파동성이라는 확고한 증거

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영(Thomas Young: 1773-1829)_ 영국의 물리학자로서 빛의 간섭현상으로 빛의 파동론을 주장하였다.

19세기 초에 영(T. Young)에 의해 빛의 파동론이 다시 부각될 때 증거로 삼은 것은 빛의 간섭현상이었다. 뉴턴의 원무늬(Newton's ring)이라 하는 빛의 간섭의 한 예가 입자론의 주창자인 뉴턴에 의해 일찍 발견되었지만 그로부터 150년에 가까운 세월이 지난 후 영은 이에 대해 파동론으로 정확한 해석을 할 수 있었고, 아울러 유명한 이중슬릿 실험을 행하였다. 이후 프레넬, 프라운호퍼 등에 의해 여러 가지 간섭과 회절현상이 관찰되어 빛의 파동론은 확고해졌다.

빛의 파동은 진폭의 제곱인 밝기가 명암의 차이로 직접 눈으로 볼 수 있어 공간적인 분포가 잘 관찰된다. 따라서 간섭의 결과도 공간에 간섭무늬(fringe)의 형태로 확연하게 나타난다. 특히 파장이 극히 짧아 개별적인 파형을 측정하기 어렵지만 간섭무늬의 규모는 눈에 보일 정도로 크게 나타나서 빛의 파동적인 성질을 연구하는 데 중요한 도구가 된다.

두 개의 빛이 합성되어 생기는 간섭으로는 가간섭성의 두 파를 만드는 조건에 따라 영의 간섭, 마이컬슨 간섭, 마하젠더 간섭등이 있어 빛의 본성에 대한 연구, 빛의 파장 측정, 물질의 광학적 성질 측정 등에 널리 활용되고 있다. 특히 근래에 들어 레이저를 이용하여 높은 수준의 가간섭성 빛의 쉽게 만들 수 있어 거리의 정밀 측정 등의 산업분야의 응용이 매우 중요하다.

한편 두 개 이상의 파동이 만드는 간섭, 무한 개의 파동이 만드는 간섭도 특이한 간섭무늬를 만들 게 된다. 빛의 경우, 두 개의 거울 사이를 왕복한 여러 파들이 합성되어 만드는 파브리-페로 간섭, 비눗방울 등 얇은 막이 만드는 박막의 간섭 등이 있다.

_ 박막의 간섭_ 가간섭성_ 간섭무늬_ 레이저_ 진폭_ 회절_ 보일_ 거울_ 파동

파동과 빛의 간섭

간섭은 파동이 가지고 있는 일반적인 현상이지만 빛의 간섭은 보통의 파동에 비해 몇 가지 차이가 있다.

다른 파동과 달리 빛은 파형을 인위적으로 조절하기 곤란하여 가간섭성의 빛을 만드는 것이 힘들다.

빛은 원자나 분자가 그 에너지 준위사이의 전이에 의해 발생되므로 양자역학적인 현상과 관련되어 있다. 따라서 물질로 부터 빛이 나오는 것은 다분히 확률적이어서 빛의 발생을 의도하는 대로 조작하는 것은 거의 불가능하다. 반면에 수면파나 줄의 파동 등 대부분의 파동은 이를 적절히 제어할 수 있으며 따라서 가간섭성의 파동을 만들기 쉽다. 일반적으로 라디오 파, 간단히 전파라고 부르는 전자기파동은 그 본성이 빛과 같지만 이를 만드는 것은 전자공학적인 회로로 가능하고 따라서 꼬리에 꼬리를 물고 이어지면서 일정한 진동수를 가진 것을 만들기 쉽다. 그러나 빛의 경우 비록 동일한 물질에서 동일한 진동수의 빛을 발생시켜도 한 원자가 빛을 내는 시간은 10^-9초 이내의 극히 짧은 순간이다. 즉, 한 줄기의 빛이 지속되는 길이는 불과 수 cm 이내이다.

스크린 상에서 간섭의 결과가 관측된다.

빛이 투명한 물질을 통과할 때 거의 반응을 하지 않으므로 빛이 지나가는 상황을 알기 힘들다. 드라이아이스 등으로 연기를 피워서 빛이 산란되게 해서 공간적인 분포를 알 수는 있기는 하지만 대부분의 간섭의 결과는 멀리 스크린을 놓아서 이 위에 형성되는 곡면상의 밝고 어두운 무늬로 관측하게 된다.

수백 nm나 수 μm의 규모의 위치 차이에 의해 간섭이 생긴다.

간섭의 효과가 가시적으로 잘 나타나는 상황은 파동의 위치 차이가 그 파장의 크기에 비견할 정도가 되어야 한다. 따라서 수백 nm의 가시광선인 경우 파장 정도로 부터 수십 파장 정도까지 파원의 위치 차이가 날 때 간섭무늬가 눈으로 보일 정도가 된다. 이러한 성질을 이용하여 미소 변위나 위치를 정밀하게 측정할 수 있어 그 응용성이 매우 크다.

_ 에너지 준위_ 가간섭성_ 간섭무늬_ 양자역학_ 가시광선_ 전자기파_ 진동수_ 보일_ 전이_ 파동

간섭과 회절

회절은 파동이 진행하는 경로위에 장애물이 놓여 있더라도 이를 우회하여 그림자의 영역에도 미칠 수 있는 현상을 말하지만 우회하는 여러 파동들이 만나서 이루는 간섭 현상을 말하기도 한다. 따라서 회절을 간섭으로부터 구분하는 것은 불가능하다. 즉 우리가 보통 '간섭'과 '회절'이라 하는 것은 다 같이 원래 의미의 회절현상에 의해 진행방향이 다르게 우회하는 여러 파동들이 만나서 간섭의 효과로 공간에 특이한 무늬가 형성되는 것 을 말한다.

그러나 관례적으로 간섭이라 할 때에는 각각의 파동의 위상차가 불연속으로 되어 있을 때를 말하고, 반면에 회절은 위상차가 연속적으로 변하는 경우를 말한다. 유한 개의 파동이 만나는 경우를 간섭, 무한 개의 파동이 만나는 경우를 회절이라 하기도 하지만 이는 정확한 표현이 아니다. 박막의 간섭은 박막 속을 반사하고 투과하는 무한히 많은 빛이 만난 결과이지만 간섭이라 하기 때문이다.

비록 간섭과 회절이 같은 물리적인 현상이기는 하지만 그 결과로 생기는 무늬는 뚜렷한 차이가 있다. 보편적으로 간섭의 무늬는 넓은 범위에 걸쳐 그 강약의 정도가 별로 변하지 않으나 회절의 무늬는 주변부로 갈수록 점차 어두워진다. 오른편 위 사진은 밝음과 어두움이 계속되고 있는 간섭무늬이고 아래 것은 중심에서 가장자리로 갈수록 무늬의 밝기가 점차 어두워지는 회절무늬이다.

_ 박막의 간섭_ 간섭무늬_ 위상_ 회절_ 파동