물리학 고3 전자기적 상호작용

전자기파 스펙트럼

전파·마이크로파·적외선·가시광선·자외선·X선·감마선으로 이루어진 전자기파 스펙트럼을 분류하고 활용 사례를 탐구한다.

전자기파를 파장(또는 진동수) 순으로 늘어놓은 것이 전자기파 스펙트럼이며, 파장이 긴 쪽부터 전파 · 마이크로파 · 적외선 · 가시광선 · 자외선 · X선 · 감마선으로 나뉩니다.

피아노 건반과 같습니다. 낮은 음부터 높은 음까지 이어져 있고, 우리 눈이 들을 수 있는 옥타브는 그중 딱 한 칸(가시광선)뿐입니다. 나머지 건반이 안 보인다고 없는 것이 아닙니다.

쉽게 말하면

맥스웰 방정식과 전자기파는 전기장과 자기장의 진동이 스스로 공간을 달려 나갈 수 있음을 예언했습니다. 중학교의 전자기파와 정보 통신에서 이미 만난 그 파동입니다. 여기서 중요한 것은, 전파부터 감마선까지 이름이 다 다르지만 본질은 하나같이 똑같은 전자기파라는 사실입니다. 다른 것은 오직 파장(진동수)뿐입니다.

진공에서 모든 전자기파는 같은 속력 $c$ 로 달리며, 다음 관계가 성립합니다.

$c = f λ, c \approx 3 \times 1 0^{8} m/s$

$c$ 가 고정이므로 파장이 짧으면 진동수가 크고, 진동수가 크면 광자 하나가 나르는 에너지도 큽니다( $E = h f$ ). 스펙트럼의 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 '에너지가 세지는' 이유가 이것이고, 자외선·X선·감마선을 조심해야 하는 이유도 여기 있습니다. 이들은 원자에서 전자를 떼어낼 만큼 세서 DNA를 손상시킬 수 있습니다.

이름이 다른 이유는 만드는 방법과 쓰임새가 다르기 때문입니다. 전파는 안테나의 전류를 흔들어 만들고, 적외선은 물체의 열운동에서 나오며, X선은 빠른 전자가 금속에 부딪혀 급제동할 때 나옵니다. 진동수가 다르면 물질과 상호작용하는 방식도 달라져, 어떤 파장은 벽을 통과하고(전파) 어떤 파장은 대기에서 흡수됩니다(자외선의 상당 부분).

이 흡수와 방출의 차이가 지구과학으로 이어집니다. 태양이 보내는 짧은 파장의 빛은 대기를 통과하지만, 데워진 지표가 내놓는 긴 파장의 적외선은 온실 기체가 붙잡습니다 — 이것이 온실 효과와 지구 복사 수지입니다. 별빛을 파장별로 펼쳐 어떤 파장이 빠져 있는지 보면 그 별이 무엇으로 되어 있는지 알 수 있는데, 그것이 태양 스펙트럼과 원소 분석입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전자레인지는 왜 마이크로파를 쓰나

마이크로파의 진동수가 물 분자를 흔들기에 알맞아, 흡수된 에너지가 물의 회전 운동으로 바뀌며 음식이 데워집니다. 도자기 접시는 물이 거의 없어 잘 데워지지 않고, 금속은 전자가 자유로워 반사해 버리므로 넣으면 안 됩니다. '무엇을 데우느냐'가 아니라 '어떤 분자가 그 진동수에 반응하느냐'가 답입니다.
예시 2

X선 사진이 뼈만 보여 주는 이유

X선은 파장이 짧아 살을 통과하지만, 원자 번호가 큰 칼슘이 많은 뼈에서는 상당량이 흡수됩니다. 그래서 필름에 뼈의 그림자가 남습니다. 통과하느냐 흡수되느냐는 파장과 물질의 조합이 정하며, 이 원리를 뒤집으면 공항 수하물 검색기도 같은 이야기가 됩니다.
예시 3

적외선 카메라와 리모컨

온도가 있는 물체는 모두 적외선을 내놓으므로, 적외선 카메라는 캄캄한 밤에도 사람을 찾아냅니다. 반대로 TV 리모컨은 적외선 LED로 신호를 '만들어' 보냅니다. 같은 적외선이지만 하나는 열의 부산물이고 하나는 정보의 운반체입니다.

전자기파 스펙트럼 (파장이 긴 쪽 → 짧은 쪽)

종류	특징	활용
전파	파장이 가장 김. 회절이 잘 되어 멀리 돌아감	방송, 휴대전화, 라디오
마이크로파	물 분자를 잘 흔듦	전자레인지, 레이더, 위성 통신
적외선	물체의 열운동에서 나옴. 열작용이 큼	적외선 카메라, 리모컨, 온도 측정
가시광선	사람 눈이 감지하는 유일한 구간	시각, 광학 기기
자외선	살균 작용. 에너지가 커 피부에 해로움	살균, 위조지폐 감별
X선	물질을 잘 통과. 무거운 원자에 잘 흡수됨	의료 촬영, 수하물 검색
감마선	파장이 가장 짧고 투과력·에너지가 가장 큼	암 치료, 의료 기기 멸균

자주 하는 오해

전자기파마다 속력이 다르다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움감마선은 에너지가 크니까 전파보다 빠르게 날아간다

실제로는진공에서는 모두 정확히 같은 속력

c

입니다. 다른 것은 속력이 아니라 파장과 진동수입니다.

c = f λ

에서

c

는 상수입니다.

f

가 커지면 그만큼

λ

가 짧아져 곱은 그대로입니다. 에너지(

E = h f

)가 큰 것과 빠른 것은 전혀 다른 이야기이고, 이 둘을 섞으면 스펙트럼 문제가 통째로 꼬입니다.

적외선을 '열' 그 자체라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움적외선은 뜨거운 열이고, 자외선은 차갑다

실제로는적외선도 다른 전자기파와 똑같은 전자기파입니다. 물체에 흡수되면 그 에너지가 내부 에너지로 바뀌어 온도가 오르는 것뿐입니다.

적외선이 유난히 '따뜻하게' 느껴지는 이유는 일상적인 물질의 분자 진동 진동수와 잘 맞아 흡수가 잘 되기 때문입니다. 자외선도 흡수되면 에너지를 전달합니다 — 다만 워낙 에너지가 커서 데우기보다 분자의 결합을 끊는 쪽으로 작용해, 따뜻함 대신 화상과 손상을 남깁니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전자기파와 정보 통신고1 맥스웰 방정식과 전자기파고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

광섬유와 레이저고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

온실 효과와 지구 복사 수지고3 태양 스펙트럼과 원소 분석고3

같은 단원의 개념 — 전자기적 상호작용

로런츠 힘고3 맥스웰 방정식과 전자기파고3

자주 묻는 질문

Q1가시광선만 눈에 보이는 이유는 무엇인가요?

태양이 지표에 보내는 빛 중 이 구간의 세기가 가장 크고, 대기도 이 구간을 잘 통과시킵니다. 그 환경에서 진화한 눈이 마침 그 구간에 반응하도록 만들어진 것입니다. 물리적으로 특별한 구간이어서가 아니라, 우리에게 가장 쓸모 있는 구간이라서입니다.

Q2휴대전화 전파도 X선처럼 위험한가요?

전파는 파장이 길어 광자 하나의 에너지가 X선보다 훨씬 작습니다. 원자에서 전자를 떼어낼 만한 에너지가 못 되므로, 세기가 아주 크지 않은 한 X선·감마선과 같은 방식의 손상을 주지는 않습니다. 위험의 기준은 '전자기파냐 아니냐'가 아니라 '광자 하나의 에너지가 얼마냐'입니다.

Q3전자기파는 왜 진공에서도 진행하나요?

소리처럼 매질의 알갱이를 흔들어 전달되는 파동이 아니기 때문입니다. 변하는 전기장이 자기장을 만들고, 변하는 자기장이 다시 전기장을 만드는 식으로 서로를 되살리며 나아갑니다. 흔들 매질이 필요 없어 태양 빛이 우주를 건너옵니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 전자기적 상호작용 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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