보이지 않는 빛을 눈앞에! 레이저와 포그머신이 펼치는 빛의 쇼
과학 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험!
레이저 포인터를 벽에 비추면 빨갛거나 초록빛 점이 반짝 켜집니다. 그런데 포인터에서 벽까지 이어지는 ‘빛의 길’은 보통 전혀 보이지 않죠. 빛은 분명 그곳을 지나가고 있는데, 왜 보이지 않을까요? 그리고 만약 교실 안에 순식간에 구름을 만들어 빛의 길을 환히 드러내 주는 신기한 장치가 있다면, 한번 써 보고 싶지 않으신가요?
빛의 길은 원래 보이지 않는다
얼마 전 중학교 1학년 수업에서 빛의 길(레이저 광선의 궤적)을 관찰해 보았습니다. 평소처럼 레이저 포인터를 쓰기만 해서는 그 길이 보이지 않습니다. 그래서 레이저가 지나가는 길목에 칠판지우개 등을 이용해 분필 가루를 날려 보았어요. 방을 어둡게 하고 실험하면 이렇게 빛의 길이 또렷하게 나타납니다. 
다만 분필 가루를 날리는 실험이니, 가루를 최대한 들이마시지 않도록 학생들을 충분히 떨어뜨려 놓는 등 주의가 필요합니다. 향(선향) 연기로도 실험할 수 있는데, 이때는 수조 같은 곳에 연기를 모아 두고 그 안에 레이저 광선을 비춰 보세요. 멋진 빛의 쇼를 즐길 수 있답니다. 레이저 광선은 눈에 들어가면 위험하니, 사람의 얼굴이나 눈에는 절대 향하지 않도록 하는 것도 아주 중요합니다.
왜 가루나 연기가 있으면 빛이 보일까?
우리가 무언가를 ‘본다’고 느끼는 건 빛이 눈으로 날아 들어올 때입니다. 레이저 광선은 아주 곧게 나아가기 때문에, 아무것도 없는 공기 중에서는 빛이 옆에서 지켜보는 우리 눈에 닿지 않습니다. 그래서 빛의 길이 보이지 않는 거예요.
그런데 빛이 지나가는 길에 분필 가루나 연기 입자가 있으면, 빛이 입자에 부딪혀 사방팔방으로 흩어집니다. 이것을 빛의 산란이라고 해요. 흩어진 빛 가운데 일부가 우리 눈에 들어오기 때문에 입자가 반짝여 보이고, 그 결과 빛의 길이 떠오르는 것이지요.
사실 이와 똑같은 현상은 우리 주변에서도 볼 수 있습니다. 구름 사이로 햇빛이 여러 줄기로 내리쬐는 ‘천사의 사다리’도 공기 중의 물방울이나 먼지가 빛을 흩뜨리기 때문에 보이는 것이죠. 교실 속 레이저는 그 풍경의 미니어처 버전이라고 할 수 있겠네요.
가루를 마시게 하고 싶진 않은데… 그래서 등장한 안개 머신!
하지만 아이들에게 분필 가루를 마시게 하는 건 영 마음이 편치 않았어요. 그래서 쓰기 시작한 것이 바로 포그머신(안개 발생기)입니다. 
포그머신은 글리세린과 물을 1대 1로 섞기만 하면 구름을 만들어 내는, 무대 연출 등에 쓰이는 장치입니다. 하나 장만해 두면 순식간에 교실을 구름으로 가득 채울 수 있어요.
포그머신은 어떻게 구름을 만들까?
포그머신의 원리는 ‘가열해서 증기로 만들고, 식혀서 작은 물방울로 바꾼다’로 요약할 수 있습니다.
먼저 기계 안의 히터로 글리세린과 물이 섞인 액체를 가열해 증기로 만듭니다. 이 증기가 기계의 분출구에서 힘차게 뿜어져 나오지요. 그러면 주변의 차가운 공기와 만나 급격히 식으면서, 증기가 눈에 보이지 않을 만큼 작은 액체 입자(미립자)로 바뀝니다. 이 무수히 많은 작은 입자가 공기 중에 떠다니면서 하얗고 몽글몽글한 ‘구름’처럼 보이는 거예요.
사실 자연의 구름도 거의 같은 원리로 만들어집니다. 땅이나 바다에서 증발한 수증기가 하늘 높이에서 식어 작은 물방울이 되고, 그것이 모인 것이 구름이죠. 참고로 땅 가까이에 생긴 구름을 우리는 ‘안개’라고 부릅니다. 포그머신의 ‘포그(fog)’가 바로 안개라는 뜻이니, 이름의 유래가 여기에 있는 셈이에요.
그런데 왜 굳이 글리세린을 섞는 걸까요? 글리세린은 물과 달리 잘 증발하지 않아서, 입자가 오랫동안 사라지지 않고 공기 중에 떠 있습니다. 덕분에 물만 쓸 때보다 구름이 훨씬 오래 유지되는 거예요.
빛의 쇼를 더 안전하고, 더 아름답게
포그머신으로 교실에 구름을 만들고 레이저 광선을 통과시키면, 분필 가루를 쓸 때보다 훨씬 선명하게 빛의 길이 보입니다. 거울, 볼록렌즈, 유리를 사용하면 빛이 반사되고, 꺾이고, 모이는 모습을 입체적으로 또렷하게 확인할 수 있고요. 교과서 그림으로만 보던 빛의 움직임을 내 눈으로 직접 확인할 수 있다는 것, 이게 바로 실험만의 재미가 아닐까요?
보이지 않는 것을 보이게 만드는 것. 이것도 과학의 중요한 아이디어 중 하나입니다. 여러분도 빛이 지나가는 길에 어떤 입자가 있을지 상상하면서, 주변의 빛을 한번 관찰해 보세요.
포그머신은 공기포에도 쓸 수 있어서 정말 편리하답니다!
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