A. 빛의 생성(Creation of Light)

A. 빛의 생성

 

“Dixitque Deus fiat lux et facta est lux”

​태초에 하나님이 "빛이 있으라."​ 말씀하시니 빛이 있었다.

창세기 1:3

 빛 에너지의 무한한 보고라고 할 수 있는 태양을 비롯하여 우리가 일상생활에서 사용하고 있는 형광등, 전등, 자동차 헤드라이트, TV나 컴퓨터의 모니터 등 여러 가지 종류의 광원들은 어떤 과정을 거쳐 빛을 생성하는 것일까?

 

그림 3-5-A-2. 전자가 원자핵 주위를 돌고 있는 원자 모형

 물질의 기본 단위 입자를 원자(atom)라고 하며, 'atom'의 어원은 그리스어 'ἄτομος(atomos)'로 '분할을 할 수 없는'이라는 뜻이다. 원자는 핵과 전자로 구성되어 있는데, 핵은 양성자와 중성자로 되어 있고 양전하를 띠고 있으며, 음전하를 띠고 있는 전자는 핵을 중심으로 힘의 균형을 유지하면서 일정한 궤도를 돌고 있다. 전자가 안정상태에서 균형을 유지하면서 순조롭게 궤도를 돌고 있을 때는 아무런 에너지 방출도 없는 기저상태(ground state)로서, 전자가 핵에서 가까운 궤도를 돌고 있다.

 

그림 3-5-A-3. 기저상태

그림 3-5-A-4. 흥분상태

그림 3-5-A-5. 자연방출

 여기서 광원의 구성요소인 원자나 분자에 외부로부터 에너지를 가하면 전자가 흥분하여 핵에서 멀리 떨어진 궤도를 돌게 되고 에너지 레벨이 높은 흥분상태(excited state)가 되는데, 이러한 흥분상태는 불안정한 상태이므로 원자나 분자의 전자는 자기가 가지고 있던 광자(photon)를 방출하고 원래의 안정된 기저상태로 되돌아간다. 이를 자연방출(spontaneous emission)이라고 하며, 이렇게 방출된 광자가 곧 빛에너지이다. 우리 주변에 있는 태양을 비롯한 모든 광원으로부터 나오는 빛이란 이러한 과정에 의해 방출된 여러 가지 파장의 광자들의 모임으로, 이러한 빛을 자연광(natural light)이라 한다.

만약 흥분상태에 있는 원자나 분자에 그 원자나 분자가 흥분상태가 되도록 자극했던 똑같은 파장 및 주파수를 가진 빛 에너지를 주게 되면 흥분상태의 전자는 재빨리 자신이 가지고 있던 광자를 방출하고 기저상태로 돌아갈 뿐만 아니라, 기저상태로 돌아가도록 자극했던 광자도 아울러 방출하게 되므로 결과적으로는 똑같은 파장과 주파수를 가진 2개의 광자가 방출되는 결과가 된다.

 

그림 3-5-A-6. 유도방출

 이렇게 방출된 광자는 가만히 있지 않고 또 흥분상태에 있는 다른 원자나 분자로 하여금 광자를 내어놓고 기저상태로 돌아가도록 자극하여 연쇄적으로 수많은 광자가 방출되는데, 이를 유도방출(stimulated emission)이라고 한다. 이렇게 해서 만들어져 발진된 빛은 전부 같은 원자나 분자로부터 유도방출된 광자이므로 똑같은 광학적 특성을 가지는 레이저(LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)로서, 인위적으로 만든 막대한 에너지를 가진 강렬한 빛이다.

참고문헌

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4. 정종영. 임상적 피부관리. 도서출판 엠디월드 2010: 793-5.

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레이저의 구조와 원리