빛의 투과, 흡수, 산란, 분산, 방출에 대해서 설명해주세요.

빛 (light)

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요약

파장 1㎜∼1㎚, 즉 적외선부터 ＜가시광선＞을 지나 자외선까지의 전자기파이자 ＜광자＞의 흐름·행동으로 설명되는 이중성적 에너지의 한 형태.

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설명

파장 1㎜∼1㎚, 즉 적외선부터 ＜가시광선(可視光線)＞을 지나 자외선까지의 전자기파이자 ＜광자(光子, photon)＞의 흐름·행동으로 설명되는 이중성적 에너지의 한 형태. 빛을 광(光)이라고도 하며, 빛이 지나는 경로를 직선으로 나타내어 광선이라 하고, 빛에 의해 전달되는 에너지를 빛에너지라 한다. 가시광선은 사람의 눈을 통해 시각을 일으킬 수 있는(즉, 가시역의) 빛이며, 대체로 파장 810∼380㎚(실용적으로는 750∼390㎚), 진동수 4×10∼8×10Hz 정도의 전자기파이며, 이전에는 가시광선만을 빛이라고 하였다〔그림 1〕. 그러나 현대에서는 일반적으로 가시광선뿐만 아니라, 가시광선의 긴 파장 쪽의 끝 부분인 적색광(赤色光)보다도 파장이 긴 적외선(파장 750㎚∼1㎜)부터 가시광선의 짧은 파장 쪽의 끝부분인 자색광(紫色光)보다도 파장이 짧은 자외선(파장 1∼390㎚)까지의 파장 범위의 전자기파를 빛이라고 하게 되었다. 즉 오늘날 물리학적으로는 파장 1㎜∼1㎚의 범위에 있는 전자기파를 빛이라고 한다. 일반적으로 적외선·가시광선·자외선을 빛이라 하는데, 경우에 따라서는 자외선보다도 파장이 짧은 X선(수십∼0.01㎚ 정도), 선(0.01㎚ 이하)도 빛에 포함시킨다. 사람에게 가시광선은 파장이 긴 빛에서부터 파장이 짧은 빛의 차례로 빨강에서 보라까지의 연속적 색각(色覺)을 일으킨다. 색각에 의거하여 가시광선을 파장에 따라 대체로 빨강(파장 750∼620㎚), 주황(620∼585㎚), 노랑(585∼575㎚), 녹색(575∼500㎚), 파랑(500∼445㎚), 남색(445∼425㎚), 보라(425∼390㎚)의 7가지 색, 즉 무지개색으로 나누기도 한다. 이 색들의 빛을 햇빛을 이루고 있는 비율로 섞으면 흰색으로 보이는 ＜백색광＞으로 되는데, 이것은 빨강과 청록 또는 노랑과 파랑 등 서로 보색인 빛끼리 알맞는 비율로 섞어도 얻어진다. 한편, 단일 파장(단일 진동수)의 빛을 ＜단색광(單色光)＞이라 하는데, 실제로 순수한 단일 파장의 빛은 얻기 어려우며, 엄밀한 뜻으로는 단색광은 존재하지 않는다. 그러므로 일반적으로 기체원자로부터 복사되는 선스펙트럼(line spectrum)의 빛과 같이 파장의 폭이 극히 좁은 빛을 단색광이라 하며, 파장폭이 비교적 좁은 빛을 ＜단색성이 우수한 빛＞이라 한다. 특히 레이저광은 보통의 기체원자 복사 선스펙트럼보다 훨씬 파장폭이 좁은 단색광이며, 또 사람은 눈을 통해 가시광선의 범위에서 165가지 정도의 단색광의 색을 구별할 수 있다 한다. 여기서 빛의 일반적인 특징을 간추려 설명해 보면, 빛은 간섭·회절 및 도플러효과(Doppler effect) 등 파동의 특징에 해당하는 현상을 나타내고 자신의 파장보다도 넓은 공간에서는 직진하며, 또 서로 다른 매질의 경계면에 입사되면 일부는 반사되고 나머지는 경계면에서 굴절·투과된다. 빛은 진행 방향에 수직인 면 안에서, 서로 직교(直交)하는 전기장과 자기장이 같은 위상으로 진동하는 횡파(橫波)이다. 전기장의 진동면이 한 방향으로 한정되어 있는 빛을 ＜직선편광＞이라 하며, 이에 대해 보통의 광원에서 복사되는 빛과 같이 여러 방향의 진동면을 가진 빛들이 모여서 이루어진 빛을 ＜자연광＞이라 한다. 빛이 진공 속에서 전파되는 속도를 ＜광속도＞라 하는데, 이는 물리학의 중요한 기본 상수의 하나이며, 특히 상대성이론이나 전자기학에서 중요한 뜻을 가진다. 현재 가장 정확한 값으로 믿어지고 있는 진공 속에서의 광속도는 ＝2.99792458×10m/s인데, 광속도 측정에 대해서는 나중에 설명한다. 또 빛은 이상과 같은 파동적 성질과 더불어 ＜광자＞라는 미소 입자로서 물질과 상호 작용을 하는 입자적 성질도 나타내는 이중성이 있는데, 이에 대해서도 나중에 설명한. 빛의 입자설·파동설 고대그리스 학자 유클리드의 저서에는 빛의 직진, 시각(視覺), 평면거울·구면거울의 빛 반사에 대한 고찰, 용기에 물을 채우면 밑바닥의 물체가 얕게 떠 보이게 되는 현상에 대한 설명 등이 실려 있다. 빛과 이에 의한 현상을 탐구하는 학문, 즉 ＜광학(optics)＞의 본격적인 연구는 독일의 천문학자 J. 케플러와 이탈리아의 물리학자 G. 갈릴레이가 각각 망원경을 발명한 17세기 초부터 시작되었다. 이때부터 빛의 본성에 관하여 여러 가지 학설이 제출되었는데, 이것들을 파동설과 입자설로 크게 나눌 수 있다. 빛의 파동설은 소리가 공기 진동으로 매질인 공기를 통해 전파되는 파동인 것과 마찬가지로 ＜빛도 어느 매질을 통해 전파되는 파동이다＞라는 학설이며, 빛의 입자설은 ＜광원에서 방출되어 빠른 속도로 진공 또는 균질적이고 투명한 매질 속을 직진하는 빛의 입자의 흐름이다＞라는 학설이다. 즉, 파동설에서는 매질 입자의 좁은 범위에서의 진동 운동에 의한 파동을, 입자설에서는 빛의 입자의 고속직진 운동을 바탕으로 하여 빛과 이에 의한 현상을 해석하려는 학설이다. 역학뿐만 아니라 광학도 연구한 I. 뉴턴은 빛에 관한 연구를 정리한 《광학(1704)》을 출간함으로써 입자설의 대표적 학자로 인정받게 되었다. 뉴턴은 빛은 광원에서 방출되는 입자의 직진적 흐름이라 주장했는데, 이 빛의 입자의 직진 운동을 그가 개척한 역학에서의 질점의 초속도(初速度) 등 속직선운동과 결부시켜 설명했다. 또 그는 빛의 입자의 자극으로 진동하는 가상(假想) 매질인 에테르를 가정하여 광학적 현상을 해석하려고 했다. 한편, 뉴턴과 같은 시대에 활약한 영국의 R. 훅과 네덜란드의 C. 호이겐스 등은 빛의 파동설을 주장했다. 혹은 빛은 가상 매질인 에테르의 진동에 의해 전파되는 파동이라 주장했으며, 또 그의 이론에 ＜구면을 이루고 퍼져가는 파면(波面)＞이라는 개념을 도입했는데, 이는 같은 시대의 호이겐스가 빛의 파동설을 전개하는 데 기본 바탕이 되었다. 호이겐스는 빛의 속도는 유한하며 교차하는 빛은 서로 방해하지 않는다는 점에 착안하여, 빛은 매질을 지나 전파되는 파동이라고 생각했다. 호이겐스는 수면 위에서 진행하는 파면이 슬릿(작고 좁은 간극)이 있는 벽면에 와 닿았을 때, 이 슬릿을 중심으로 2차파가 발생되는 현상에 대해서 ＜슬릿의 매질이 상하로 진동하기 때문에, 이 슬릿을 새로운 파원(波源)으로 하는 2차파가 발생하여 파면이 앞으로 진행된다＞라고 설명했다〔그림 2-⑴〕. 호이겐스의 파동설은 일반적으로 ＜매질 속에 파원을 둘러싼 임의의 폐곡면(閉曲面)이 있을 때 파동이 이 폐곡면 위에 도달하면, 이 폐곡면 위의 각 점이 새로운 파원이 되어서 2차파가 무수히 많이 생겨난다. 그리고 폐곡면 밖으로 생겨난 무수히 많은 2차파들이 공통적으로 접하는 곡면, 즉 포락면(包絡面)이 다음 파면이 된다. 이상의 과정과 마찬가지로 파면 위의 각점을 파원으로 하여 생겨난 2차파들이 공통적으로 접하는 다음 파면이 이루어진다〔그림 2-⑵〕라고 간추릴 수 있는데, 이를 ＜호이겐스의 원리＞라 한다. 호이겐스는 파동설에 의거해서 빛의 반사·굴절 현상을 설명할 수 있었으나, 그의 이론만으로는 빛의 직진성에 의한 그림자 형성 현상을 설명할 수 없었다. 또 빛은 파장이 매우 짧기 때문에 당시의 수준으로는 파동의 중요한 특징인 회절·간섭 현상을 빛에 관해서는 실험적으로 확증할 수 없었다. 그래서 뉴턴의 권위가 학계를 지배했던 당시에는 토대가 약한 빛의 파동설은 믿어지지 않았고, 이해하기 쉬운 입자설이 광학의 주류를 이루었다. 그러나 1세기가 지나 19세기에 들어서면서 영국의 T. 영에 의해 빛의 간섭 현상이 관측되었다. 또 영에 의해 빛의 간섭이(1801), 프랑스 A.J. 프레넬에 의해 빛의 회절이(1822) 파동설에 의거해서 설명되었으며, 또한 프랑스 J.B.L. 푸코에 의해 광속은 진공속에서보다도 매질 속에서 더 느려진다는 사실이 측정되는 등 빛의 파동설의 토대가 굳혀졌다. 이로써 빛의 파동설은 비로소 믿을 수 있는 학리로 인정받게 되었다. 특히 프레넬의 빛의 파동설인 ＜탄성파론＞은 ＜소리(음파)가 외력에 대해 저항성이 있는 탄성체 속에서 전도되는 파동인 것처럼, 빛도 특별한 탄성매질(빛에테르) 속에서 전파되는 파동이다＞라는 생각을 바탕으로 한 것이었다. 영은 두 슬릿을 이용한 실험을 통해 빛의 간섭 현상을 증명했는데, 프레넬은 ＜영의 실험＞을 호이겐스의 원리와 연계시켜서 ＜회절은 파면 위의 모든 점에서 발생하는 파동의 간섭에 의해서 일어나는 것＞이라는 생각을 바탕으로 빛의 탄성파론을 확립했다(1818). 또 프레넬의 이론은 호이겐스 원리의 수학적 증명을 가능하게 했으며, 빛의 직진·회절 등의 현상을 파동설에 의거하여 완전히 설명할 수 있게 했다. 프레넬은 색편광(色偏光)·복굴절에 대해서는 당장에 이론적으로 설명하지 못했지만, 나중에 ＜빛을 횡파(橫波)라 가정한다면 그런 현상을 이해할 수 있을 것＞이라는 생각을 제시했다(1821). 1821년 앞서 설명한 바와 같이 푸코가 파동설로부터 얻어지는 결론대로 물 등 매질 속에서의 광속은 진공에서보다 느려진다는 것을 실증함으로써 빛의 파동설은 확정적으로 인정받게 되었다. 빛의 직진과 반사·굴절 먼 데 있는 물체를 한쪽 눈으로만 보면서 물체와 눈 사이에 손가락을 넣으면, 그 물체의 전체 또는 일부분이 보이지 않게 된다. 이것은 물체 위의 한 점 P에서 방출된 빛이 손가락 뒤쪽으로는 거의 돌아가지 않는다는 것을 나타내는 것이다. 즉, 빛은 직진하는 성질이 있으며, 이 직진성을 띤 빛의 전파 경로를 광선이라 한다. 또 빛의 직진성을 바탕으로 광학 현상을 연구하는 분야를 ＜기하광학＞이라 한다. 빛이 공기를 투과하다가 물의 면(공기와 물의 경계면)에 닿은 경우와 같이 빛이 매질 A 속에서 직진하다가 다른 매질 B의 면, 즉 A와 B의 경계면에 입사되면, 이 입사광선의 일부는 ＜반사＞되어 반사광선으로서 도로 A 속을 직진하게 되고, 나머지 빛은 ＜굴절＞되어 굴절광선으로서 B 속을 직진하게 된다〔그림 3-⑴〕. 빛의 굴절 현상은 매질이 달라지면, 매질 속에서의 광속도가 달라지기 때문에 일어나는 광학 현상이다. 이상의 현상에서 ＜입사광선·반사광선과 접하는 두 매질의 경계면(반사면)에 수직인 법선은 모두 한 평면 안에 있으며, 입사각과 반사각은 같다. 즉, 그림에서 α=이다＞라 할 수 있으며, 이를 ＜반사의 법칙＞이라 한다. 또 ＜입사광선·굴절광선 및 경계면에 수직인 법선은 모두 한평면 안에 있으며, 입사각의 사인값과 굴절각의 사인값의 비는 항상 일정하다. 즉 〔그림 3〕의 ⑴ 에서, 이 성립한다＞라 할 수 있으며, 이를 ＜굴절의 법칙＞이라 하는데, 이것은 1621년 네덜란드의 W. 스넬이 발견하였기 때문에 ＜스넬의 법칙＞이라고도 한다. 지금 매질 A, B에서의 광속도를 각각 빛의 파장을 각각 λ, λ로 하면, sin α/sin β=/=λ/λ= 이다. 여기서, 입사각의 사인값과 굴절각의 사인값의 비 n은 두 매질의 종류에 따라 정해지는 상수로서, 이를 매질 A에 대한 매질 B의 ＜상대굴절률＞이라 한다. 또 진공에 대한 굴절률을 ＜절대굴절률＞이라 하는데, 보통 굴절률이라 하면 절대굴절률을 뜻한다. 빛이 물에서 공기로 나가는 경우처럼, 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 입사하는 경우에는 입사각보다 굴절각이 더 커지는데, 이 때 굴절각이 90˚일 때의 입사각을 임계각(臨界角)이라 한다. 그리고 임계각보다 큰 입사각으로 입사된 빛은 굴절되지 않고 모두 반사되며, 이를 ＜전반사(全反射)＞라 하는데, 이것은 현재 광섬유에 의한 정보 전송에 활용되고 있다〔그림 4〕. 광섬유로서는 보통 굴절률이 높고 유연성이 풍부한 석영계 유리섬유인 고어[心線(시선)] 겉에 굴절률이 낮은 클래드(클래딩)를 덮어 싼 석영광섬유가 이용된다. 입사된 빛은 유리섬유 속에서 전반사가 반복되는 방식으로 중계없이도 30∼50㎞나 되는 먼 지점까지 전송될 수 있다. 실제로는 전기펄스신호가 반도체레이저·발광다이오드 등 광원에 의해 광펄스신호로 변환(광변조)된 다음, 광섬유에 투사되어 전반사 반복으로 전송되고 나서, 포토다이오드 등 광검파기의 수광소자에 의해 다시 원래의 전기펄스신호로 변환되어 수신된다. 이러한 빛의 전반사에 의한 정보 전송 방식은 현재 광통신·일루미네이션·내시경(內視鏡) 등에서 활용되고 있다. 1661년에는 빛의 반사의 법칙과 굴절의 법칙을 총괄·발전시킨, ＜빛이 두 점 사이를 지날 수 있는 경로들 중 가장 짧은 시간에 지날 수 있는 경로가 실제로 빛이 전파되는 경로로 된다＞는 내용의 ＜페르마의 원리＞가 발표되었다. 이것은 프랑스의 수학자 P. 페르마가 빛의 전파 경로를 변분원리(變分原理)에 따라 나타낸 것으로 굴절률이 일정한 매질에서의 빛의 직진 경로는 물론, 굴절률이 연속적으로 변하는 매질 속에서의 빛의 전파경로를 정하는 데에도 적용된다. 한편, 17세기 전반에 활약한 프랑스의 R. 데카르트는 그의 자연철학에 관한 저서에서 빛의 본성, 광학기계로서의 눈, 대기 속의 물방울의 빛 굴절에 의해 무지개가 나타나는 현상 등에 관해 설명했다. 빛의 간섭·회절 돌멩이 2개를 떼어서 수면에 동시에 떨어뜨리면 두 수면파가 일어나 퍼진다. 이때 두 수면파의 마루끼리 또는 골끼리 겹쳐져서 진동이 보강되어 밝아지거나(보강간섭), 마루와 골이 겹쳐져 진동이 상쇄되어 어두워지거나(소멸간섭) 하는 ＜파동의 간섭＞ 현상이 일어난다. 영국 의사 영은 1801년 빛에서도 그와 같은 간섭 현상이 일어남을 실증하고, 파동설에 의거하여 빛의 간섭에 관한 이론을 확립했다. 또 그는 얇은 막에 빛을 비스듬히 입사하면 밝아지거나 어두워지는 간섭 현상, 유리판 위에 놓은 렌즈에 나타나는 줄무늬 모양의 간섭무늬(뉴턴의 고리) 등에 대해서도 설명했다. 그러나 당시에는 뉴턴역학의 성공을 배경으로 한 입자설이 지배적이었기 때문에 영의 업적은 인정받지 못했다. 그 후 영과 같은 생각을 전개했던 프레넬은 1822년 빛의 회절에 대한 파동설적 이론을 완성함으로써 빛의 파동설을 확립했다. 파동은 진행 도중에 장애물을 만나면 장애물의 둘레를 돌아서 장애물의 뒤쪽으로도 진행하고, 슬릿(작은 틈)을 지날 때는 구면파로 진행하는데, 이와 같이 파동이 장애물·슬릿에 의해 원래의 진행 방향과는 다른 방향으로도 전달되는 현상을 ＜파동의 회절＞이라 한다. 음파의 경우에는 파장이 1m 정도이므로, 음파는 이 정도로 큰 물체의 뒤쪽으로도 돌아갈 수 있으며, 따라서 담 너머에서 나는 소리도 들을 수 있다. 그러나 빛(가시광선)의 파장은 음파 파장의 1/10 이하이므로, 흔히 볼 수 있는 큰 물체에서는 빛의 회절현상이 잘 나타나지 않는다. 따라서 빛은 보통 직진하는 것으로 생각해도 되며, 따라서 우리는 주변의 큰 물체들을 똑똑히 볼 수 있다. 이에 대해 머리털 등 작은(가느다란) 물체의 그림자를 면밀히 살펴보면 그림자의 가장자리가 뚜렷하지 않고, 또 그림자 부분에도, 빛이 비치는 부분에도 밝고 어두운 회절줄무늬가 생기는 것을 볼 수 있다. 이 빛의 회절 현상과, 어째서 뒤로 역행하는 파동은 생기지 않는가에 대해 프레넬은 호이겐스의 원리를 일부 수정하여 ＜2차파의 진폭은 1차파와 2차파의 진행방향 사이의 각도가 증가함에 따라 감소되며, 또 이 각도가 180로 되면 0으로 되기 때문이다＞라고 설명했다. 이 가설은 19세기 말에 독일의 G.R. 키르히호프가 파동방정식에 의거해서 이론적으로 설명함으로써 확고해졌다. 이를 ＜키르히호프의 회절 이론＞이라 하는데, 이에 의해서 호이겐스와 프레넬의 빛의 파동설적 이론에 엄밀한 이론적 근거와 명확한 적용 한계가 주어졌다. 광속도의 측정 광속도의 측정을 처음으로 시도한 사람은 갈릴레이였는데, 그는 측정 실험에는 실패했으나, ＜빛의 속도는 음속보다 훨씬 빠르지만 무한대라고 단정하기는 어렵다＞는 견해를 제시했다. 처음으로 광속도 측정의 목적을 달성한 사람은 덴마크의 천문학자 O. 뢰머인데(1676), 그는 목성의 위성(달)이 목성의 그림자에서 벗어나는 시각이 지구의 공전 궤도 위의 위치에 따라 다르게 관측되는 사실을 이용해서 광속도를 c=2.1×10㎧로 계산했다. 이것은 정확한 광속도의 값과는 큰 차이가 있지만, 뢰머의 업적은 ＜빛의 속도는 대단히 크나, 측정할 수 있으며 유한한 값을 가진다＞는 것을 밝힌 데에 큰 의의가 있다. 그 후 1849년 프랑스의 물리학자 A.H.L. 피조는 회전기어 등을 이용한 실험을 통해 =3.133×10㎧라는, 정확한 광속도에 상당히 가까워진 값을 얻었다. 또 이듬해에 푸코는 회전거울·오목거울 등을 이용한 더욱 정밀한 방법으로 =2.98×10㎧라는 더욱 정확한 광속도의 값을 얻었다. 1926년 폴란드 태생의 미국학자 A.A. 마이컬슨은 〔그림 5〕와 같이 회전하는 8면겨울을 사용하여, 빛이 이 거울에서부터 35㎞ 떨어진 곳에 있는 고정된 반사거울까지 왕복하는 데 걸리는 시간을 정밀하게 측정하여 광속도를 =(2.99796±0.00004)×10㎧로 계산했는데, 이는 현재 가장 정확한 값으로 믿어지고 있는 진공 속에서의 광속도의 값의 범위에 들어갈 정도로 정확한 것이다. 현재 가장 정확한 값으로 믿어지고 있는 진공 속에서의 광속도 c=2.99792458×10㎧의 값은, 한 레이저에서 방출되는, 레이저광의 파장 λ과 진동수 를 측정하여 이것을 =λ에 대입하여 계산한 것으로, 광속도의 근사값으로는 보통 =3×10㎧를 이용한다. 진공 속에서의 광속도는 빛의 파장에 관계없이 일정하며, 또 물질 속에서의 광속도는 진공 속에서보다 느리나 기체·공기 속에서의 광속도는 진공 속에서의 광속도와 거의 같다. 빛은 횡파이다 일반적으로 탄성매질 속에서 전파되는 파동에는 종파와 횡파가 있다. 공기는 부피의 변화에 대해 저항을 나타내므로, 공기 속에서 발음체가 진동하면 부피 변화의 파동, 바꾸어 말하면 공기의 밀도가 커졌다가, 작아졌다가 하는 소밀파(疏密波)가 일어나 전파되는데, 이것이 음파이다. 이 음파는 밀도진동의 방향이 파동의 진행 방향과 같으므로 종파이다. 이에 대해 인접한 분자끼리의 결합이 강하기 때문에 가로 방향으로의 분자 이동이 저항을 받게 되는 경우에는 분자 진동의 방향과 파동의 진행 방향이 서로 수직인 횡파가 일어난다. 종파·횡파의 속도를 각각 로 하면, 이다. 여기서 는 매질 밀도이며, 와 는 각각 부피탄성률·강성률(층밀리기탄성률)로서 압축, 가로 방향의 층밀리기에 대한 탄성을 나타내는 상수이다. 이것을 가상적(假想的) 전자기장 매질인 에테르에 적용시켜 보면, 광속도는 크므로 가 매우 커지게 되거나 가 매우 작아지게 되며, 따라서 에테르는 매우 단단하거나 희박한 것이어야 하는데, 빛의 성질이나 현상을 설명하기 위해서는 에테르는 가능한 한 희박해야 한다. 그러나 에테르가 희박하면 매질 입자 사이의 결합이 약해져 공기에서와 같이 종파만 일어나고 횡파는 일어나지 않는다. 그런데 19세기 중반에 빛은 횡파라는 사실이 밝혀져 가상 매질 에테르의 존재는 불확실한 것이 되었다. 1669년에는 E. 바르톨리누스에 의해 결정에 의한 빛의 ＜복굴절(複屈折)＞이 발견되었는데, 호이겐스는 이에 대해 세밀하게 연구했다. 그는 방해석에 입사된 햇빛이 세기가 같은 두 갈래의 빛으로 나누어져 지나가며, 또 이것들을 각각 다시 한번 방해석에 입사시키면 둘째 방해석의 위치에 따라서 일반적으로 세기가 다른 두 갈래의 빛으로 나누어지거나, 특별한 경우에는 한 줄기의 빛이 그대로 진행된다는 것을 알아냈다. 또 그는, 종파는 파동의 진행 방향에 수직인 방향에 대해서는 아무런 특별한 방향성을 가지지 않으므로, 빛을 종파라고 가정하면 빛의 복굴절 현상을 이해할 수 없게 된다고 생각했다. 프랑스의 물리학자 E.L. 말뤼스는 1808년 창유리에서 반사되는 햇빛은 호이겐스가 둘째 방해석에서 관측한 것과 똑같은 성질을 나타낸다는 것을 발견했다. 말뤼스는 ＜햇빛이 유리에 의해 반사되거나 방해석을 지나면, 횡진동이 어떤 정리 과정을 겪게 됨으로써 특정한 진동면만을 가지는 빛으로 된다＞고 생각했으며, 이런 현상 또는 빛을 ＜편광(偏光)＞이라 불렀다. 그 후 프레넬은, 방해석 속을 지나는 두 갈래의 굴절광선은 서로 직각 방향으로 진동하는 횡파(세로 직각으로 편광이 된 빛)라 생각했으며, 이 편광 현상을 정량적으로 설명했다. 이것으로 ＜빛은 횡파일 것이다＞라고 생각한 영의 착상은 옳다는 것이 증명된 것이다. 전자기파로서의 빛 17세기 중반부터 19세기 중반까지 약 200년간 빛에 대한 입자설과 파동설의 논쟁 끝에 빛의 파동설이 인정되자, 맨 먼저 빛이 무엇의 파동인지를 예언한 사람은 영국의 J.C. 맥스웰이었다. 즉, 맥스웰은 전자기 이론을 바탕으로 전자기파의 존재를 예언하고 빛도 전자기파의 일종이라 하였다. 맥스웰은 전자기 현상을 포괄적으로 나타내는 기초방정식으로서 ＜맥스웰의 방정식＞을 제출했는데, 이것의 최대 특징은 자기장을 생기게 하는 원인으로서 전도전류 이외에 시간적으로 변화하는 전기장, 즉 변위전류(變位電流)의 개념을 도입한 점이라 할 수 있다. 그는 1873년 이것으로부터 이론적으로 전자기파의 존재를 밝힘과 동시에, 이론적으로 유도되는 전자기파의 전파 속도와 당시에 실측된 광속도가 일치한다는 것을 근거로 하여 빛도 전자기파의 일종이라는 결론을 얻었다. 이로부터 15년 후 88년에 H.R. 헤르츠의 실험에 의해 전자기파도 빛과 마찬가지로 반사·굴절·회절 등의 현상을 나타내고, 전자기파의 속도도 빛의 속도와 같다는 것이 관측·증명됨으로써 빛의 전자기파설이 확립되었다. 전자기파로서의 빛은 두 전하 사이에 작용하는 전기적(電氣的) 쿨롱힘의 장(場)과, 두 전류 사이에 작용하는 자기적인 힘의 장의 조합이다. 한쪽의 전하·전류로부터 다른 쪽으로 힘이 순간적으로 작용하는 것이 아니라, 거리가 크면 힘이 미치게 될 때까지 그만큼의 시간이 걸린다. 따라서 힘이 전해지는 속도는 유한하며, 그 속도가 광속도이다. 또 전하나 전류는 진공을 거쳐 서로 힘을 미칠 수 있으므로 빛도 진공을 거쳐 전파되며, 그 전파 방식은 다음과 같이 설명된다. 가령, 어느 장소의 자기장에서 시간적 변화가 생긴다면, 이때 둘레의 공간에서는 전자기유도에 의해 ＜자기장의 시간적 변화를 해소하기 위한 전류＞를 흐르게 하려는 전기장이 이루어진다. 이 전기장은 시간적 변화가 있으므로 변위전류이며, 둘레의 공간에 자기장을 이루어지게 한다. 이 자기장에도 시간적 변화가 있으므로 또 전기장을 이루어지게 한다…. 이런 현상이 반복되면서 빛이 공간 속에서 전파되어 간다. 그러므로 빛은 시간적 변화가 있는 전기장과 자기장의 조합이다. 즉, 빛은 진동하는 전기장 와 자기장 에 의해 구성되고, 진공 속에서의 전기장의 크기 와 자기장의 크기 의 비(복사임피던스)는 진공의 투자율(透磁率), 투전율(透電率)을 각각 μ, ε으로 하면 으로 되며, 또한 광속도 은 이 된다. 빛의 세기는 에너지밀도와 광속도의 곱으로 주어지며, 진폭인 전기장 또는 자기장의 크기의 제곱에 비례한다. 또 이것은 단위시간에 단위면적을 통과하는 광자수에 는 플랑크상수, 는 진동수)를 곱한 것과 같다. 또 MKSA단위계로는 ＝×로 정의되는 벡터 를 ＜포인팅벡터＞라 하는데, 의 방향은 빛의 진행 방향, 의 크기는 빛의 세기에 해당한다. 투자율 μ, 유전율 ε인 물질 속에서는 복사임피던스는 , 광속도는 로 되는데, 빛의 진동수가 매우 크기 때문에 보통의 물질에서는 μ=μ이라고 해도 되며, 이라 나타낼 수 있다(다만, 이 경우에는 ε은 빛의 진동수에 의존하는 것으로 생각하지 않으면 안된다). 빛이 전자기파임이 확실해졌으므로, 전자기파의 가상적 전파 매질인 에테르(전자기에테르)가 실제로 존재한다면, 빛전파 매질인 빛에테르의 효과도 관측될 수 있을 것이다. 이 빛에테르의 효과를 관측한 실험으로서 대표적인 것은 마이컬슨이 1881∼87년에 시도한 광속도에 대한 에테르의 바람의 영향 관측 실험이었다. 이것은 1885년부터는 마이컬슨이 E.W. 몰리와 함께 하였기 때문에 ＜마이컬슨-몰리의 실험＞이라 불리는데, 이 실험에서는 광속도에 대한 에테르의 바람의 영향은 관측되지 않았다. 이 실험 결과에 대해 에테르는 운동하는 물체(지구)와 더불어 이동된다는 등 에테르의 존재를 합리화하려는 여러 가지 의견이 제출되었다. 그러나 A. 아인슈타인은 1905년 마이컬슨-몰리의 실험 결과에 의거해서 에테르의 존재를 부정하고, ＜광속도 불변의 원리＞를 확립했다. 빛의 이중성 독일의 이론물리학자 M.K.E.L. 플랑크는 1900년 고전적 이론으로는 설명할 수 없는 공동복사(空洞輻射) 관측 결과의 이해를 위해 에너지양자(energy quantum) 가설을 제출했는데, 이것은 물리학에 큰 변혁을 가져온 양자론의 발단이 되었다. 5년 후 이 가설에 의거하여 아인슈타인은 금속에 빛을 쬐면 전자가 방출되는 광전효과(光電效果)를 빛의 입자성을 나타내는 현상으로서 설명했다. 여기서 아인슈타인은 ＜진동수 , 파장 λ인 빛은 에너지 , 운동량 /＝/(는 플랑크상수)를 가지는 입자인 광양자(light quantum)로서 흡수·방출·진행 등 행동을 한다＞고 했는데, 이를 ＜광양자설＞이라 하며, 지금은 광양자를 ＜광자＞라 한다. 아인슈타인에 의해 빛은 광자의 흐름이라 설명된 빛의 입자적 성질은 23년 미국 A.H. 콤프턴의 ＜X선을 금속에 쬐면, X선의 일부는 금속을 투과하지만, 나머지 일부는 전자에 작용하여 전자를 튀어나오게 하고 X선 자신은 더 긴 파장의 X선으로 되어 산란된다는 것을 알아낸 실험＞에 의해 증명되었는데, 이 실험에서 나타난 현상을 ＜콤프턴효과＞라 한다. 이로써 ＜빛은 파동적 성질만 가지고 있을 뿐만 아니라, 입자적 성질도 가지고 있다＞는 이른바 ＜빛의 이중성＞이 실증된 것인데, 이러한 이중성은 27년 전자의 파동성이 실증됨으로써 입자로만 생각되었던 전자에서도 확인되었다. 현대에 있어서는 빛의 이중성이 1920년대에 확립된 양자역학에 의해 아무런 모순없이 설명되고 해석될 수 있게 되었다. 레이저광(laser light) 원자핵 주위의 전자의 분포 상태에 따라서 원자는 갖가지 값의 에너지준위를 가진다. 어느 두 준위의 에너지의 차 Δ에 대응하는 진동수 Δ/인 빛(즉, 흡수될 수 있는 단색광)을 원자에 쬐면, 이 빛이 흡수되어서 원자는 높은 에너지준위의 상태로 된다. 그리고 이 높은 에너지준위 상태의 원자는 곧 짧은 시간 동안에 에너지를 잃고 원래의 낮은 에너지준위 상태로 되돌아가는데, 이때 잃게 된 에너지는 쬔 빛의 진동수와 똑같은 진동수의 빛이 되어 방출된다. 이와 같이 일반적으로 외부에서 조사(照射)된 빛 등 전자기파의 자극에 의해 원자·분자에서 조사된 것과 똑같은 진동수의 빛·마이크로파 등 전자기파가 방출되는 것을 ＜유도방출＞이라 하는데, 이것은 1916년 아인슈타인에 의해 이론적으로 확인되었다. 유도방출에 대해 외부로부터의 작용과는 관계없이 원자·분자에서 빛 등 전자기파를 방출하여 높은 에너지준위의 상태에서 낮은 에너지준위의 상태로 되는 것을 ＜자연방출＞이라 한다. 레이저광은 유도방출을 이용해서 방출시키는 인공광으로 레이저광의 광원(發振器；증폭기)을 ＜레이저＞라 하는데, 레이저라는 명칭은 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(유도방출에 의한 광증폭)의 머리글자로 나타낸 약칭이다(원래 유도방출에 의한 전자기파 발진기를 메이저라 했었는데, 지금은 보통 빛 발진기를 레이저, 마이크로파발진기를 메이저라 하게 되었다). 레이저광 발진의 과정·장치를 간추리면 다음과 같다. ① 섬광램프(플래시방전관), 전극 등에 의한 고전기장 등으로 광원에 에너지를 공급하여 광원의 많은 원자들로 하여금 높은 에너지준위 상태로 되게 한다. ② 높은 에너지준위의 원자들에서 자연방출에 의해 진행 방향이 여러 방향인 빛이 방출된다. ③ 자연방출에 의해 방출된 빛 중 광원 원자에 흡수될 수 있는 진동수의 빛, 또는 외부에서 조사된 흡수될 수 있는 진동수의 단색광의 자극에 의해서 유도방출이 일어나 진동수가 같은 빛이 방출된다. ④ 유도방출에 의해 방출된 빛이 광원 양편에 장치된 거울 사이를 반사에 의해 왕복하는 현상이 반복됨으로써 유도방출도 반복되어 이 결과 강한 레이저광이 발진된다. 레이저광은 빛들이 모두 진동수가 같고 위상이 균일하여 간섭성이 매우 높을 뿐만 아니라, 지향성도 매우 높아 퍼지지 않는 강한 단색 인공광이다. 최초의 레이저광은 60년 원기둥 루비 결정 원자에 섬광램프로 에너지를 공급하는 ＜고체레이저＞에서 발진되었는데, 이것의 레이저광은 사용상 불편한 펄스광이었다. 61년에는 헬륨과 네온의 혼합기체를 유리관(방전관)에 봉입한 헬륨-네온레이저라는 ＜기체레이저＞가 개발되었다. 이것은 전극에 의한 고전기장에서의 기체방전으로 원자의 높은 에너지준위 상태를 형성하게 되어 있으며, 사용상 편리한 연속 발진광을 낸다. 또 62년에는 반도체 p-n접합부에 전류를 흘려넣어 레이저광이 발진되게 하는 ＜반도체레이저＞가 개발되었는데, 이로써 레이저의 소형화가 실현되었다. 그런데, 맨 처음에 발명된 반도체레이저는 펄스발진이고 냉각해야 하는 등 불편한 것이었다. 그러나 70년에 비소화갈륨 GaAs를 p형과 n형의 비소화알루미늄갈륨 AlGaAs(는 1∼2)의 중간에 더블헤테로접합(DH접합)을 한 ＜비소화알루미늄갈륨레이저＞가 개발됨으로써 반도체레이저에 의한 실온에서의 연속 발진이 가능해졌다. 레이저광의 높은 지향성은 터널·철교 공사 등에서의 토목측량 등에 이용되고 있고, 또 미세한 부분에 강한 빛을 집중할 수 있어 비디오디스크, 레이저프린터 등에 의한 고밀도 정보 기록·재생, 경질(硬質) 물질의 정밀절단·가공, 레이저메스(laser surgical knife)에 의한 지혈, 병적 조직 제거 등에 이용되고 있다. 한편, 레이저광의 높은 간섭성은 홀로그래피에 의한 새로운 입체영상 표현에 이용되기 시작했는데, 이는 앞으로 정보 처리, 예술 등 여러 분야에 활용될 것이다. 이 밖에도 레이저광의 높은 단색성, 레이저에 의한 극히 짧은 광펄스 조성 등은 광섬유 통신에 활용되고 있다. 또 레이저로는 높은 출력의 여러 가지 파장의 빛을 만들 수 있으며, 일정 파장의 레이저광은 화학반응 유도에 의한 새로운 물질의 합성, 대기의 기체 분석에 의한 대기오염 감시 등에 이용되고 있다. 전기쌍극자 상호작용 빛과 물질의 상호 작용은 물질 속의 하전입자(荷電粒子)의 가속으로 발생한다. 이런 현상 중 주된 것이 전기쌍극자 상호작용이다. 빛의 전기장에 의해서 물질의 전기쌍극자모멘트의 진동이 들뜬 상태로 되면 빛이 흡수되고, 전기쌍극자모멘트가 자발적으로 진동하면 빛이 방출된다. 인공적인 전기쌍극자의 예로 전파를 방출하는 송신소 안테나를 들 수 있다. 진동수 로 진동하는 전기쌍극자모멘트 에서 단위시간에 방출되는 전자기파 에너지는 (4/3)이다. 안테나에 흐르게 하는 전류의 진동수는 빛의 진동수만큼 크지 않지만, 적외선의 진동수는 분자진동의 진동수 영역에 포함되고 가시광선의 진동수는 원자내 전자의 운동에 의한 전기쌍극자모멘트의 진동수 영역에 포함된다. 단파장인 자외선은 하전입자를 인공적으로 가속하여 발생한다. 싱크로트론이라는 가속기에서는 자기장에 의해 전자의 운동 궤도를 굽어지게 하는데, 이때 가속도가 가해지게 됨으로써 궤도의 접선 방향으로 궤도면에 평행한 편광이 방출된다. 이 현상을 ＜싱크로트론복사＞라 하며, 이에 의해 방출되는 빛(전자기파)을 ＜복사광＞이라 한다. 싱크로트론에서의 복사광 발생은 가속기로서의 성능을 한정되게 하는 손실요인이긴 하지만, X선, 연질X선, 진공자외선[遠紫外線(원자외선)], 가시광선, 적외선 등 넓은 영역에 걸친 연속스펙트럼 분포를 가진 강력한 빛인 복사광의 이용 가치가 많다는 것이 1960년경 밝혀졌고 최근에는 복사광을 얻기 위한 싱크로트론인 ＜전자저장링＞이 만들어져, 여기서 얻어지는 복사광이 과학 실험 또는 공업 가공기술로서 널리 활용되고 있다. 연표 AD 1608 굴절망원경 발명 1609 J. 케플러, 케플러 제1·제 2 법칙. 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