광선과 빛의 전파

광선

광선은 빛이 전파될 때 빛의 파면에 수직한 방향을 연결한 선이다.

빛 역시 파동이므로 넓은 범위에 펴져있는 파면이 앞에서 설명한 호이헨스 원리에 의하여 전파되는 것이다. 그러나 우리가 일상생활에서 보는 빛은 줄기를 가지고 진행하는 듯이 보인다. 아침 햇살이 나뭇가지 사이로 비추어 질 때 그 빛은 직선으로 된 가닥을 따라 진행하는 것처럼 보이는 것이나, 플래쉬를 비추면 어둠 속으로 빛의 선을 따라 나가는 것처럼 보이는 것으로부터 우리는 광선의 개념을 느낄 수 있다. 특히 레이저의 경우에는 그 빛의 줄기가 가늘어서 마치 단 하나의 광선이 있는 것으로 생각 할 수 있다. 이렇게 파동에 대하여 그 파면이 나아가는 방향을 정의할 수 있어 모든 종류의 파동에 대하여 다 이와 같은 광선의 개념을 생각할 수 있을 것이다. 특히 빛의 경우에는 그 빛의 진로에 놓여 있는 물체의 규모에 비하여 파장이 월등히 짧아서 회절의 효과가 거의 나타나지 않을 때 에는 이 광선의 개념을 유용하게 쓸 수 있다. 그러나 파장이 긴 전파, 음파 등의 경우에는 회절의 효과가 커져서 이러한 "광선"의 개념을 거의 사용하지 않는다. 빛의 경우에도 회절이 나타나는 조건에서는 이를 적용하기 곤란하므로 광선은 엄밀하게는 근사적인 개념 이라 할 수 있을 것이다.

광선의 방향으로 에너지가 흐른다.

빛의 파동은 다른 파동과 마찬가지로 에너지를 전달하는 데 이 방향은 바로 광선의 방향이다. 이는 우리가 빛살이 비추어 질 때 밝음이나 따뜻함이 그 빛살을 따라서 전달 되는 듯한 느낌을 갖는 것으로 추측해 볼 수 있다. 이 에너지는 파면에 수직한 방향으로 흐르게 된다. (비등방의 매질에서는 그러지 않을 수도 있다) 호이헨스의 원리로 부터 파동으로서의 빛의 전파를 이해하는 것 보다 이 광선의 진행양상을 이해하여 빛의 전파를 이해하는 것이 편리한 경우가 많다. 이러한 관점으로 렌즈, 거울 등에서의 빛의 반사와 굴절을 다루어 이를 이용한 기기를 이해하는 분야를 기하광학이라 한다.

아래 프로그램은 파면과 광선의 관계를 보여주고 있다. 'reset'을 누르면 환경이 다양하게 달라진다. (여기서 바탕은 굴절률이 1이고 녹색의 점으로 표시된 지점은 굴절률이 1.5이다. 한편 빛을 반사하는 포물면경이나 거울의 경우 청색의 점으로 표시하였다) 'run'을 누르면 굵은 노란 선으로 표현한 파면과 붉은 선으로 표시한 광선이 생성되어 전파되는 모습을 볼 수 있다.

_ 광선의 진행_ 빛의 전파_ 호이헨스_ 레이저_ 굴절률_ 회절_ 음파_ 거울_ 파면_ 파동

광선의 행동

동일한 매질 속에서 광선은 직진한다.

빛은 매질이 바뀌지 않으면 진행 방향을 그대로 유지한다.구면파의 경우 광원에서 멀어질수록 구면의 반경이 커지는 것처럼 파면은 진행함에 따라 형태가 달라질 수 있지만, 광선의 방향은 어느 지점에서나 한결같이 직선이다. 광선을 다루기가 파면의 전파를 다루기보다 쉬운 이유가 여기에 있다.

굴절률이 달라지는 매질로 진입할 때 광선은 스넬의 법칙에 따라 굴절을 한다.

앞에서 파면으로 해석한 굴절의 법칙은 다음 그림처럼 광선이 매질의 경계에서 꺾어지는 단순한 상황으로 이해할 수 있다.

_ 굴절의 법칙_ 구면파_ 파면