똑같은 흰빛인데 속은 전혀 달랐다! 회절격자로 태양과 형광등의 비밀을 파헤치다
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험입니다.
이번에는 회절격자를 이용해 흰빛을 관찰해 본 실험을 소개합니다. 똑같이 하얗게 보이는 태양빛과 형광등 빛도, 실제로 그 안의 성분을 비교해 보면 완전히 다릅니다. 회절격자를 통해 그 차이를 직접 들여다보겠습니다（태양빛은 절대로 직접 바라보지 않도록 주의하세요.）。
먼저 아래 영상을 봐 주세요.
회절격자는 어떤 도구일까?
회절격자는 이렇게 생긴 도구입니다. 들여다보는 창 부분에 붙어 있으며, 이 회절격자에는 1cm당 무려 5000개의 미세한 줄이 새겨져 있습니다. 인터넷에서도 쉽게 구매할 수 있습니다。
1cm에 5000개의 줄이 있다는 것은, 한 줄 간격이 겨우 0.002mm(2마이크로미터)라는 뜻입니다. 이렇게 극도로 촘촘한 홈에 빛이 닿으면, 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절(휘어짐)이 일어나 색깔별로 빛이 분리되어 보입니다. CD나 DVD 뒷면이 무지개빛으로 반짝이는 것도 완전히 같은 원리입니다. 이것은 케니스에서 구매한 분광기입니다. 오른쪽 슬릿으로 들어온 빛이, 관찰창에 붙은 회절격자를 지나며 분리되고 왼쪽에 투영됩니다。
형광등 빛을 분해해 보니 ―― ‘선’이 나타났다
먼저 형광등 빛을 관찰해 보았습니다. 빛의 띠를 보면, 오른쪽부터 파랑, 하늘색, 초록, 주황, 빨강 순으로 나타납니다。
여기서 주목해야 할 점은, 빛이 선 모양으로 끊겨 있으며 연속적이지 않다는 것입니다. 이는 형광등 안에 들어 있는 수은 등의 기체가 특정 파장의 빛만 방출하기 때문입니다. 어떤 빛을 내보내는지는 기체의 종류마다 정해져 있으며, 이를 “선 스펙트럼”이라고 합니다. 사실 이 “기체마다 고유한 스펙트럼을 가진다”는 성질 덕분에, 우리는 지구에서 아주 먼 우주의 별이 어떤 물질로 이루어져 있는지도 조사할 수 있습니다. 인류는 빛을 분해함으로써, 직접 가 본 적 없는 별의 성분까지 알아내고 있는 것입니다。
태양빛을 분해해 보면
이번에는 태양빛을 관찰해 보았습니다. 다시 한번 강조하지만 태양빛을 직접 바라보면 안 됩니다.
이것이 그 결과입니다. 왼쪽의 파란색에서 오른쪽의 빨간색까지, 무지개처럼 색이 끊김 없이 이어집니다. 형광등처럼 선으로 나뉘지 않고, 모든 색이 부드럽게 연결되어 있습니다. 이것을 “연속 스펙트럼”이라고 부릅니다。
즉, 태양빛에는 거의 모든 색(파장)의 빛이 포함되어 있다는 뜻입니다. 비가 온 뒤 무지개가 보이는 이유는, 공기 중의 물방울이 프리즘처럼 작용해 태양빛을 색깔별로 나누어 보여주기 때문입니다. 회절격자 속에서 보였던 연속 스펙트럼은 바로 무지개와 같은 현상인 셈입니다。
학교에서 배운 회절 조건식과 함께 생각해 보면서, 왜 안쪽에는 파란색이, 바깥쪽에는 빨간색이 나타나는지 고민해 보세요. 힌트는 파장과 회절각의 관계입니다. 빛의 파장은 파란색이 짧고, 빨간색이 길죠. 거기서부터 차근차근 생각해 보면 답이 보일 것입니다。
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