물질 속에서 빛이 전파될 때 빛의 전기장과 물질 속의 전자가 상호작용을 하게 된다. 한 지점에서의 빛의 전기장은 진동을 하므로 전자도 덩달아서 같은 진동수로 진동을 하여 이것이 새로운 전기장의 진동을 유발한다. 무수히 많은 원자, 분자의 전자가 내는 빛과 원래의 빛이 합성되어 물질 속에서는 새로운 속도, 새로운 진폭으로 빛이 전파되는 것이다.
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결정에서 빛의 전파_ 빛이 물질 속으로 진입하면 결정을 이루는 원자의 전자가 빛의 전기장에 의해 진동을 한다. 전자의 진동자가 만드는 빛과 입사한 빛은 서로 어우러져서 새로운 빛을 만들게 되는 데 이 빛은 진행속도가 느려지고, 파장도 줄어들게 된다. 이때 고유진동수 등 진동자 성질에 따라 빛이 전파되는 양상이 달라지게되어 물질에 따라 다른 굴절률을 가진다. 그림에서 푸른색의 입자는 전자의 움직임을 상징해서 나타내었고, 이는 위상의 차이가 있긴 하지만 대체로 전기장이 걸린 방향과 반대로 진동하게 된다.
따라서 물질 속을 진행하는 빛의 속도 등의 특성은 물질 속에 있는 전자의 결합상태에 따라 달라진다. 만일 그 물질이 결정을 이루고 있으면서, 결정의 구조에 특별한 방향성이 없다면 빛이 전파되는 속력도 방향에 무관하게 일정할 것이다. 이러한 결정으로는 소금 결정과 같은 입방구조(cubic structure)가 있다. 소금의 Na와 Cl은 아래 그림에서 보듯이 정육면체의 각 꼭짓점에 Na+와 Cl-이 교대로들어 있는 것으로서 전기적인 특성이 방향에 관계없는 등방성(isotropic) 물질이고 따라서 광학적인 특성도 등방적이다. 한편 유리나 물과 같이 결정을 이루고 있지 않는 경우에도 원자나 분자의 배열이 제멋대로이어서 대부분 등방성 물질이 된다.
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소금 결정_ 소금 결정은 Na+과 Cl-이 그림처럼 정육면체의 꼭짓점에 교대로 층층이 쌓여 있다. 그림에서 보이는 것은 원시세포(primitive cell)로서 같은 모양으로 좌우, 앞뒤, 아래위로 계속 쌓여서 큰 결정을 이루게 된다. 원시세포의 Na+이온의 배치를 보면 정육면체의 꼭짓점과 각 면의 중심에 있어 면심입방구조(fcc)를 하고 있다.
결정체로서 그 모양이 대칭이 아니라면 빛의 진행방향, 빛의 편광상태에 따라 빛의 전파속도가 다를 수 있다. 이는 원자들이 대칭으로 배열되어 있지 않아 결정을 이루는 전자나 원자의 진동도 운동 방향에 따라 진동의 양상이 다르게 나타나기 때문이다. 이러한 물질은 한 방향으로 진행하는 빛에 대해서 두 가지 편광상태 각각 속도가 다른 값으로 주어진다. 이러한 현상을 복굴절(birefringent)이라하며 이러한 특성을 갖는 결정을 복굴절체라 한다.
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등방성과 비등방성 물질의 격자진동_ 소금과 같은 등상성 물질은 어느 방향으로나 원자의 운동양상이 동일하지만 방해석 같은 비등방성 물질은 진동방향에 따라 진동의 양상이 다르다. 따라서 빛의 편광상태에 따라 진행속도가 달라질 수 있다.
다음 그림은 복굴절 물질의 하나가 빛을 두 갈래로 굴절시키는 것을 보여주고 있다. 이 결정은 광축(optic axis), 혹은 주축(principal axis)이라 하는 축에 대해 대칭으로 되어 있어 그 방향에 수직한 편광상태의 빛이 동일한 속도를 가지게 된다. 이러한 복굴절체를 단축성 결정이라 한다. 그림에서 편광상태에 따라서 진행속도가 달라 두 방향으로 굴절되는 빛의 경로와 편광상태를 보여주고 있다. 여기서 정상적인 굴절의 법칙을 따르는 빛을 정상광선(o-광선: ordinary ray), 비정상적인 굴절을 하는 빛을 이상광선(e-광선: extraodinary ray)라 한다. (렌즈의 중심축을 역시 광축(optical axis)라고 하는 데 우리말로는 같은 용어를 쓰지만 서로 무관하다)
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복굴절 물질을 통과하는 빛_복굴절 물질에서는 편광방향에 따라 빛의 속도가 다르기 때문에 서로 다르게 굴절하여 두 빛으로 분리된다.
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