CD의 변신, 스펙트럼 분광기 만들기

빛은 무슨 색일까요? 우리 눈으로 보는 빛은 하얀색이지요. 하지만 화창한 날 야외에서 비눗방울을 불면 비눗방울에 빨주노초파남보, 무지개 색이 생기는 것을 볼 수 있어요. 한낮에 아스팔트 바닥에 흘려져 있는 기름에서도 무지개를 볼 수 있지요. 또 CD나 DVD 뒷면을 형광등에 비춰 봐도 무지개를 발견할 수 있어요. 빛은 어떤 경우에 이렇게 여러 가지 색으로 나눠져 보이는 걸까요? 또 여러 가지 색으로 나눠져 보이는 이유는 무엇일까요?

빛은 전자기파의 일종으로, 여러 가지 색깔이 혼합돼 있어요. 각 색깔에 따라 파장이 다르지요. 때문에 직진하다가 좁은 틈이나 장애물을 만나면 각기 다른 각도로 나눠져요. 이 때 여러 가지 색의 띠가 나타나는데, 이것을 스펙트럼이라고 해요.

프리즘을 이용하면 빛의 스펙트럼을 잘 관찰할 수 있어요. 프리즘은 빛의 굴절을 잘 보여주기 위해 유리 등으로 만든 투명한 물체예요. 햇빛을 프리즘에 통과시키면 위에서부터 순서대로 빨주노초파남보 7가지 무지개 색으로 나뉘어진답니다. 이 7가지 빛을 ‘가시광선’이라고 해요. 맨 위에 보이는 빨간색이 가장 작은 각도로 꺾이고 맨 아래 보이는 보라색이 가장 큰 각도로 꺾인답니다. 이렇게 빛이 프리즘에 부딪혀 굴절하면서 여러 색의 빛으로 나뉘는 현상을 ‘빛의 분산’이라고 해요.

이런 현상을 이용해 재미있는 실험을 할 수 있어요. 쓰지 않는 CD를 이용해 스펙트럼 분광기를 만들어 볼까요?

[교과과정]
초 6-1 빛
중 2 빛과 파동

[학습주제]
빛의 굴절과 분산
빛의 스펙트럼 관찰하기

※ 분광기를 만들 때 상자 안쪽으로 낸 구멍에서만 빛이 들어오도록 상자의 나머지 이음새 부분은 검정 테이프로 잘 막아줘야 합니다. 그래야 빛의 스펙트럼을 더욱 잘 관찰할 수 있답니다. 분광기로 태양빛을 볼 때는 직접 보면 안돼요. 태양에서 벗어난 밝은 하늘을 보거나 흰 벽에 반사된 빛을 봐 주세요.

분광기로 빛의 스펙트럼을 관찰할 수 있는 이유는 무엇일까요? CD 표면은 매끈해 보이지만 가운데를 중심으로 나선형의 촘촘한 선이 그어져 있어요. 때문에 CD를 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 좁은 틈이 파원이 되어 여러 각도로 퍼져 나가게 돼요. 이런 현상을 빛의 회절이라고 해요. 이때 빛의 파장에 따라 퍼지는 각도에 차이가 생겨요. 또 옆에 있는 틈으로 들어온 빛과도 만나지요. 따라서 CD를 사이에 두고 빛이 들어오는 반대편에서는 다양한 파장을 갖는 빛의 파동이 섞이게 돼요. 이 때 파동의 모양이 정반대이면 상쇄되고, 나머지 빛의 파동은 합성돼 우리 눈에 스펙트럼으로 보이게 되는 거랍니다.

일반적으로 CD 표면의 선 사이 간격은 1.6μm(1μm=100만분의 1m)예요. 이는 1mm당 6백여 개의 선이 그어져 있는 것과 같아요. CD 표면에 평행으로 들어온 빛은 선이 그어진 곳과 그렇지 않은 곳에서 일부는 흡수되고, 일부는 산란되거나 투과된답니다.

분광기로 태양빛을 볼 때와 백열전구를 볼 때, 형광등이나 가로등(나트륨등)을 볼 때 스펙트럼이 다른 것을 관찰할 수 있어요. 그 이유는 무엇일까요? 스펙트럼에도 두 가지 종류가 있어요. 무지개와 같이 연속적인 색의 띠는 연속 스펙트럼이라 하고, 나트륨 전등이나 색이 있는 전등에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시킬 때 나타나는 몇 가지 색의 띠는 선 스펙트럼이라고 해요.

햇빛, 백열전구, 환등기 빛 등의 백색광을 분광기로 보면 연속 스펙트럼을 관찰할 수 있어요. 형광등, 백열등, 손전등의 빛은 모두 무지개 색이 나타나지만, 형광등의 빛은 푸른색 부분이 강하게 나타나고 백열등이나 손전등의 빛은 붉은색 부분이 강하게 나타난답니다.

빛의 회절 현상은 현재 각종 산업, 특히 반도체나 디스플레이 장치와 같은 각종 광학장치와 소자 분야에서 널리 이용되고 있답니다.