물리학 고2 빛과 물질

빛의 파동성과 간섭

Q: 그럼 빛은 파동으로 확정된 건가요?

간섭·회절은 파동으로만 설명됩니다. 하지만 나중에 광전 효과처럼 파동으로는 설명되지 않는 현상이 발견됩니다. 빛은 상황에 따라 파동성과 입자성을 모두 드러내며, 이것이 이중성 문제로 이어집니다.

빛의 중첩과 간섭을 통해 빛의 파동성을 확인하고 이를 이용한 기술과 현상을 설명한다. (12물리03-01)

빛은 파동이므로 두 빛이 겹치면 서로 더해지거나 상쇄되어 밝고 어두운 무늬(간섭무늬)를 만듭니다.

잔잔한 물에 돌을 두 개 던지면 물결이 겹치는 곳마다 크게 출렁이거나 잠잠해집니다. 빛도 똑같습니다 — '빛 + 빛 = 어둠'이 가능하다는 것이 빛이 파동이라는 결정적 증거입니다.

쉽게 말하면

빛이 입자라면 두 빛을 겹쳤을 때 언제나 더 밝아져야 합니다. 알갱이가 두 배로 늘어나니까요. 그런데 실제로는 겹쳐서 어두워지는 자리가 생깁니다. 이것을 설명하려면 빛을 파동으로 봐야 합니다.

파동에는 마루와 골이 있습니다. 두 파동의 마루끼리 만나면 크게 보강되고(보강 간섭), 한쪽 마루에 다른 쪽 골이 겹치면 서로 지워집니다(상쇄 간섭). 이때 결정적인 것은 두 빛이 지나온 경로차입니다. 경로차가 파장의 정수배면 마루가 마루와 만나 밝아지고, 반파장의 홀수배면 마루가 골과 만나 어두워집니다.

$보강 : Δ = mλ, 상쇄 : Δ = (m + \frac{1}{2}) λ (m = 0, 1, 2, \dots)$

간섭무늬가 뚜렷하게 보이려면 두 빛의 위상 관계가 흔들리지 않아야 합니다(이를 결맞음이라고 합니다). 형광등 두 개를 켜 놓고 간섭무늬를 볼 수 없는 이유는 두 광원의 위상이 제멋대로 요동치기 때문입니다. 그래서 실험에서는 하나의 광원에서 나온 빛을 둘로 갈라 씁니다 — 이것이 이중 슬릿 간섭의 핵심 설계이자, 빛의 파동성을 확인하는 표준 실험입니다.

빛이 파동이라는 사실은 반사·굴절(빛의 반사와 굴절), 회절, 편광 같은 현상을 하나의 틀로 설명해 줍니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

비눗방울과 기름막의 무지개색

얇은 막의 윗면에서 반사된 빛과 아랫면에서 반사된 빛이 겹치며 간섭합니다. 막의 두께에 따라 어떤 파장은 보강되고 어떤 파장은 상쇄되어, 색깔이 나뉘어 보입니다. 색소가 없는데도 색이 나타나는 것이 파동성의 증거입니다.
예시 2

CD·DVD 표면이 무지개빛인 이유

표면에 아주 촘촘한 홈이 나란히 새겨져 있어, 여기서 반사된 빛들이 방향에 따라 서로 다른 파장에서 보강 간섭합니다. 보는 각도를 바꾸면 보이는 색이 달라지는 것도 그래서입니다.
예시 3

왜 소리는 벽을 돌아오는데 빛은 그렇지 않은가

회절은 장애물이나 틈의 크기가 파장과 비슷할 때 뚜렷합니다. 소리의 파장은 수십 cm~수 m라 문틈을 넘어 잘 퍼지지만, 가시광선의 파장은 수백 나노미터라 일상 크기의 물체 뒤로는 거의 휘어 들어가지 못합니다. 빛도 파동이지만 파장이 너무 짧아 우리가 '직진한다'고 느끼는 것입니다.

자주 하는 오해

상쇄 간섭에서 에너지가 사라진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움어두워진 곳에서는 빛에너지가 없어졌다 — 에너지 보존이 깨진다

실제로는어두워진 곳의 에너지는 밝아진 곳으로 재분배된 것입니다. 화면 전체의 총에너지는 그대로입니다.

간섭은 에너지를 없애는 것이 아니라 공간적으로 다시 나누는 현상입니다. 어두운 줄무늬가 생기는 만큼 밝은 줄무늬는 두 빛을 단순히 더한 것보다 더 밝습니다. 무늬 전체를 합하면 들어온 에너지와 같습니다.

두 광원이면 무조건 간섭무늬가 생긴다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움전구 두 개를 나란히 켜면 벽에 간섭무늬가 나타난다

실제로는두 빛의 위상 관계가 일정해야(결맞음) 무늬가 보입니다. 보통의 전구 두 개는 위상이 제멋대로 변해 무늬가 뭉개집니다.

간섭무늬의 위치는 두 빛의 위상차로 정해지는데, 그 위상차가 순간마다 마구 바뀌면 밝고 어두운 자리가 계속 이동해 눈에는 평균값(그냥 밝음)만 보입니다. 그래서 실험에서는 한 광원의 빛을 둘로 나누거나 레이저를 씁니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

빛의 반사와 굴절고2 이중 슬릿 간섭고2

같은 단원의 개념 — 빛과 물질

자주 묻는 질문

Q1빛이 파동이면 매질이 있어야 하지 않나요?

필요 없습니다. 빛은 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 스스로 나아가는 전자기파라, 진공에서도 전파됩니다. 19세기에는 에테르라는 매질을 가정했지만, 실험으로 부정되었습니다 — 광속 불변 원리의 배경입니다.

Q2간섭은 빛의 색깔과 어떤 관계가 있나요?

간섭 조건에 파장

λ

가 들어가므로, 색깔(파장)마다 보강되는 위치가 다릅니다. 백색광으로 실험하면 무늬가 무지개색으로 번지고, 단색광(레이저)을 쓰면 선명한 흑백 줄무늬가 나옵니다.

Q3그럼 빛은 파동으로 확정된 건가요?

간섭·회절은 파동으로만 설명됩니다. 하지만 나중에 광전 효과처럼 파동으로는 설명되지 않는 현상이 발견됩니다. 빛은 상황에 따라 파동성과 입자성을 모두 드러내며, 이것이 이중성 문제로 이어집니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 빛과 물질 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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파동성을 가장 깔끔하게 보여 주는 실험으로 넘어갑시다. 이중 슬릿 간섭에서 무늬 간격으로 파장을 재는 방법을 배웁니다.

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