빛의 반사와 굴절, 실상과 허상의 차이

실상과 허상

 

우리가 물체를 볼 수 있는 이유는 광원에서 나온 빛이 물체에 부딪혀 반사되어 우리 눈의 망막에 상이 맺히기 떄문이다. 광학기기는 이러한 빛의 경로를 조절하는 방법으로 관찰 대상을 좀 더 잘 볼 수 있도록 만든 장치이다. 광학기기에는 망원경, 현미경 등이 있는데, 이는 빛의 경로를 바꿀 수 있는 거울과 렌즈를 조합하여 제작한다. 현미경이 물체의 상을 확대하는 원리는 초점거리가 짧은 대물렌즈를 물체 가까이 둠으로 얻어진 1차 확대된 실상을 접안렌즈로 다시 확대하는 것이다.

 

상(image)은 보통 무엇인가에 비친 모습이나 형상을 가리키며 크게는 실상(real image)과 허상(virtual image)으로 나뉜다. 실상은 렌즈나 거울에 의해 맺히는 상 중에서 실제로 광선이 모여 이루어진 것이라 정의한다. 물체에서 나온 빛이 거울면이나 렌즈 등에 반사되거나 굴절한 후 빛이 실제로 모여서 생기는 현상으로, 이 위치에 스크린을 놓으면 물체의 형상을 볼 수 있다. 반면 허상은 평면거울과 같이 물체에 반사되어 나온 빛으로 형상이 이루어진 것으로 그 위치에 스크린을 놓아도 형상이 맺히지 않는다. 거울에 의해 빛의 경로가 바뀌지만 사람은 눈에 들어온 빛이 중간에 경로를 바꾼 것을 알지 못한다. 눈으로 들어온 빛을 직선을 연장한 위치에 물체가 있다고 인식한다. 실상과 허상의 가장 큰 차이점은 상이 맺히는 곳에 스크린이나 종이를 위치시키면 실상은 상이 맺히지만, 허상은 실제로 빛이 안 만나기 때문에 상이 안 맺힌다.

 

반사 법칙과 스넬 법칙

 

광학 기기의 원리는 크게 빛의 반사 법칙과 스넬 법칙으로 설명된다. 빛이 진행하다가 다른 물질을 만났을 때 되돌아 나오는 형상을 빛의 반사라고 한다. 빛이 어떤 물체의 표면에 입사하게 되면 입사 광선의 일부분은 반사하게 된다. 입사 광선과 법선(물체 표면에 수직인 선)이 이루는 각을 입사각, 반사 광선과 법선이 이루는 각을 반사각이라고 한다. 이 둘의 각도는 항상 같다는 게 반사의 법칙이다. 만약 거울면과 같이 매끄러운 곳에 평행 입사 광선이 도달하면, 반사 광선도 평행 광선이 되는데 이를 정반사라고 한다. 하지만 거의 모든 물체 표면은 울퉁불퉁하기 때문에 한 물체에 평행 광선이 비치면 반사 광선은 서로 제각기 다른 방향으로 진행하게 된다. 이는 정반사가 단지 하나의 방향으로만 반사되는 것과 대조적이다.

 

굴절 법칙이라고도 부르는 스넬의 법칙(law of snell)은 광선 또는 전파가 서로 다른 매질의 경계면에 비스듬히 입사할 때, 입사각, 반사각, 굴절각과의 관계를 나타낸 법칙이다. 굴절이란 광선이 성질이 다른 매질을 통과할 때 꺾이는 형상으로, 빛이 매질마다 이동하는 속도가 다르기 때문이다. 빛이 진행하는 속력이 바뀌면 빛은 직진하지 않고 굴절하게 된다. 일상에서 볼 수 있는 신기루도 빛의 굴절에 의한 것이다. 빛은 진공에서 가장 빠르므로, 빛이 매질 속에서 느려질수록 굴절이 잘된다. 즉 빛의 속도와 굴절되는 정도는 반비례한다.