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

1. 강진성. 성형외과학. Third Edition. Volume 4. 얼굴(3). 군자출판사 2004; 2020-2.
2. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 87-106.
3. 이치원. 이해하기 쉬운 광학과 레이저 그 원리와 이용. 공주대학교출판부 2011: 5-6.
4. 정종영. 임상적 피부관리. 도서출판 엠디월드 2010: 793-5.

*1. Dover JS, Arndt KA. Illustrated cutaneous laser surgery: a practitioner's guide. Appleton and Lange 1990: 2.
*2. Edgar S. The Vulgate Bible. Vol 1. The Pentateuch. Harvard University Press 2010: 2.
*3. Einstein A. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 1916; 18: 318-23.
*4. Einstein A. Zur Quantentheorie der Strahlung. Physikalische Gesellschaft Zürich 1916; 18: 47-62.
*5. Gould G. The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. In: Franken PA, Sands RH, Eds. The Ann Arbor Conference on Optical Pumping. The University of Michigan 1959: 128.
*6. Liddell HG, Scott R. "ἄτομος". A Greek-English Lexicon. Harper & Brothers 1883: 244.

-36~40-

레이저의 구조와 원리

5. 광학(Optics)

 광학(Optics)은 물리학의 한 분야로서, 빛의 성질과 현상을 연구하는 학문이다. 이러한 광학의 분야에는 빛의 직진, 반사 및 굴절 등 빛의 기하학적 현상을 연구하는 기하광학, 빛을 파동으로 보고 간섭, 회절 및 편광 등을 다루는 물리광학(또는 파동광학), 빛의 방출 및 흡수와 물질과의 상호작용을 연구하는 분광학, 빛의 여러 가지 성질을 양자론적으로 다루는 양자광학, 빛의 색을 다루는 색채학, 빛과 인간의 눈과의 관계를 취급하는 생리광학 등이 있으나 학문적 영역은 분명하지 않다. 보통 좁은 의미로의 광학은 기하광학과 물리광학을 말한다.

 인류가 빛을 응용하기 시작한 역사는 오래되었으나. 광학은 17세기경부터 학문적인 체계를 갖추기 시작하였다. 빛의 본성에 관해서는 Newton의 입자설과 Huygens의 파동설이 있었고, 이후 Maxwell의 전자기파설이 대두되었으며, 다시 Planck의 양자가설과 Einstein의 광양자설로 인해 파동설과 입자설이 대립하는 양상을 보였다. 하지만 양자역학에 의해 빛은 파동성과 입자성의 이중성(wave-particle duality)을 가진다는 것이 밝혀졌으며, 광학은 근대물리학 발전의 중심적인 역할을 하게 된 것이다.

 

사진 3-5-1. 1704년 Newton이 발간한 Opticks ​초판

 20세기 후반부터 광학은 응용광학으로서 큰 발전을 이룩하였으며, 특히 레이저의 발견은 섬유광학, 광통신기술, 광재료기술 등을 새로이 창조하는 계기가 되었다. 더욱이 1960년대부터 최근까지 많은 응용광학 기술들이 민생용, 산업용, 의료용, 군사용으로 개발되었으며, 가까운 장래에 우리의 생활 환경은 더욱 엄청난 변화가 있을 것으로 예견되고 있다.

참고문헌

*1.​ Bass M, Optical Society of America. Handbook of Optics. Volume I. Fundamentals, Techniques, and Design. 2nd edition. McGraw-Hill Professional 1994: 1.3-2.44.
*2.​ Einstein A. Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt [On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light]. Annalen der Physik 1905; 17 (6): 132–48.
*3. Einstein A. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 1916; 18: 318-23.
*4. Einstein A. Zur Quantentheorie der Strahlung [On the Quantum Theory of Radiation]. Physikalische Zeitschrift 1917; 18: 121-8.
*5. Huygens C.Traitė de la Lumiere. LeIden, Pierre van der Aa 1690: 1-180.
*6. Maxwell JC. A dynamical theory of the electromagnetic field. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 1865; 155: 459–512.
*7.​ Newton I. Opticks. 1st edition. London: Sam. Smith, and Benj. Watford 1704: 124.
*8. Klein MJ. The First Phase of the Bohr-Einstein Dialogue. Historical Studies in the Physical Sciences 1970; 2: 1-39.
*9. Klein MJ. Einstein and the Wave Particle Duality. The Natural Philosopher 1964; 3: 1-49.

-33~35-

레이저의 구조와 원리

4. 전자기 스펙트럼(Electomagnetic Spectrum)

4. 전자기 스펙트럼

표 3-4-1. 전자기스펙트럼

 사전적으로 스펙트럼(spectrum)은 가시광선, 자외선, 적외선 따위가 분광기로 분해되었을 때의 성분을 말하며, 파장에 따라 굴절률이 다르므로 분산을 일으키는데, 이것들은 파장의 순서로 배열된다. 스펙트럼 띠의 상태에 따라 연속ㆍ휘선ㆍ대상 스펙트럼으로, 또는 방출ㆍ흡수 스펙트럼으로 분류한다. 여러 가지 원자나 분자에서 나오는 빛이나 엑스선은 각기 고유한 스펙트럼을 가지고 있어서 이것을 토대로 한 연구는 원자나 분자의 구조를 밝히는 데 이용된다. 

 전자기스펙트럼(electomagnetic spectrum)은 전자기파를 파장에 따라 분해하여 배열한 것으로 파장이 매우 짧은 감마선부터 X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 그리고 파장이 긴 라디오파로 구성된다. 전자기스펙트럼에 들어 있는 각 전자기파는 빛의 속도(진공에서 299,792,458m/sec)로 진행한다. 전자기스펙트럼에 들어 있는 개개 전자기파는 에너지를 가지고 있으며, 전자기파 에너지가 가지고 있는 투과력은 각 전자기파의 파장에 따라 매우 다르다. 그러므로 레이저의 경우 방출되는 파장이 그 레이저의 특징을 결정한다. 또한, 가시광선은 다만 유리를 통과할 수 있지만, X-선과 감마선은 피부뿐만 아니라 깊은 조직까지 침투하여 이를 흡수한 조직을 이온화할 수 있다.

 

참고문헌

1. 강진성. 성형외과학. Third Edition. Volume 4. 얼굴(3). 군자출판사 2004; 2023-4.
2. 국립국어원. 표준국어대사전. 2020.
3. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 16-21.
4. 정종영. 임상적 피부관리. 도서출판 엠디월드 2010: 793-5.

*1. Hecht E. Optics. 4th Edition. Pearson Education 2002: 69.
*2. Pedrotti FL, Pedrotti LS, Pedrotti LM. Introduction to optics. 3rd Edition. Addison-Wesley 2007: 8-13.
*3. Tunér J, Hode L. Laser Therapy Clinical Practice & Scientific Background. Prima Books 2002: 2-25. 

-31~33-

레이저의 구조와 원리

3. 빛의 정의(Definition of Light)

3. 빛의 정의

 

그림 3-3-1. 가시광선 영역대

 국립국어원의 표준국어대사전에는 빛(光, light)을 '시각 신경을 자극하여 물체를 볼 수 있게 하는 일종의 전자기파. 태양이나 고온의 물질에서 발한다'라고 정의하고 있다. '빛이란 무엇인가?'라는 질문에 대해 좁은 의미에서의 빛이란 가시광선, 즉 일반적으로 사람이 눈에 볼 수 있는 약 400nm에서 700nm 사이의 파장을 가진 전자기파로 답할 수 있지만, 사실 넓은 의미에서는 모든 종류의 전자기파를 지칭하기도 한다. 자외선과 적외선도 눈에 보이지 않기 때문에 엄밀히 말하면 빛이 아니지만, 가시광선과 유사한 점이 많아서 빛으로 통용되는 경우가 많고, 특히 물리학에서는 주로 넓은 의미로 쓰이고 있는 것이다.

 전자기파로서 빛이란 전기장과 자기장이 시공간에서 주기적인 운동을 하면서 전파되는 것을 뜻한다. 예를 들어 파도의 경우는 바닷물을 이루는 물 분자들이 실제로 움직이면서 파동을 만드는데, 물 분자들이 움직이면 바로 옆에 있는 다른 물 분자들이 따라 움직이면서 전파되어 나간다. 지진파는 지면을 구성하는 암반 물질이 움직이면서 파동이 전파되고, 음파의 경우는 공기 분자들이 움직이면서 전파된다. 이처럼 파도에서의 물 분자, 음파에서의 공기 분자와 같이 파동을 전달해 주는 중간 매개 물질을 매질이라고 한다. 하지만 이러한 일반적인 파동과는 달리 빛에서는 실제로 움직이는 물질이 없다. 전기장과 자기장의 세기가 반복적으로 변할 뿐이며, 실제로 움직이는 물질이 없기 때문에 매질이 꼭 없더라도 빛은 전파될 수 있다. 사실 빛은 어떤 매질도 없는 진공 상태에서 가장 빠르게 전파된다.

참고문헌

1. 국립국어원. 표준국어대사전. 2020.
2. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 14-6.​
3. 정종영. 임상적 피부관리. 도서출판 엠디월드 2010: 793-5.

*1. Hecht E. Optics. 4th Edition. Pearson Education 2002: 43-56.
*2. Lynch DK, Livingston WC. Color and Light in Nature. 2nd edition. Cambridge University Press. 2001: 231.
*3. Maxwell JC. A dynamical theory of the electromagnetic field. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 1865; 155: 459–512.
*4. Tunér J, Hode L. Laser Therapy Clinical Practice & Scientific Background. Prima Books 2002: 2-25. 

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레이저의 구조와 원리

2. 빛의 이중성(Duality of Light)

2. 빛의 이중성

 빛의 이중성(duality of light)에 대해 표준국어대사전은 ‘빛이 경우에 따라 파동 또는 입자로 보이는 성질. 파동성과 입자성의 이중성을 띠지만 두 성질이 동시에 관측되지는 않는다.’라고 기술하고 있다. 고전적으로 물리적 대상은 입자 또는 파동으로 구별되며, 입자와 파동은 서로 배타적인 두 개념을 나타낸다. 입자가 매우 작은 에너지 응집체라면, 파동은 반대로 물리적 실체가 존재하는 공간에 넓게 퍼져 나타나는 에너지에 해당한다.

 이 두 개념을 정보 교환의 수단인 편지와 전화를 비유해 설명한 문헌에 의하면, 편지는 정보를 직접 한 지점에서 또 다른 지점으로 전달하는 방법으로 상대방이 받는 정보는 바로 내가 쓴 그것이다. 반면에 전화는 내가 만든 소리 그 자체가 상대방에게 전달되는 것이 아니고 단지 내 소리가 상대방의 수화기에서 재생될 뿐으로, 편지가 입자의 관점을 나타낸다면, 전화는 파동의 관점을 나타낸다고 하였다.

 Zajonc은 2003년 10월 미국광학회의 Optics & Photonics News에 실린 'Light Reconsidered'라는 제목의 글 서두에 다음과 같이 서술하였다.

 빛은 일상생활에서 분명하게 보이지만, 빛의 본질은 수백 년 동안 아직도 쉽게 알아내지 못하고 있다. Einstein도 거의 말년에 "50년 동안 신중하게 곰곰이 생각해 봤지만, 광자란 무엇인가? 라는 질문의 답을 구하지 못했다"라고 말한 것으로 알려진다. 그리고 오늘날에도 우리는 Einstein처럼 빛에 대해서는 여전히 '학문적 무지' 상태인 것이다. ​

 빛의 물리적 성질을 파악하기 위한 노력의 역사는 과학사에서 가장 흥미로운 이야기 중 하나이다. 현대과학의 태동기 이래로 서로 모순된 모델로서 빛은 입자 또는 파동 중 하나로 그려졌고, 혼란과 좌절의 역사를 겪었다. 비록 입자를 정확히 정의하기는 어렵지만, 입자는 직관적으로 형상화될 수 있고, 파동도 매질을 통해 형상화될 수 있다. 하지만 파동의 형상화는 빛에 이르러 그 의미를 상실하는데, 빛은 매질을 필요로하지 않기 때문이다. 그런데도 사람들이 빛을 전달하는 매질을 찾고자 노력하였고, 이러한 시도는 물리학의 발전에 걸림돌이 되었었다. 그럼에도 불구하고, 빛은 우리에게 나타나는 물리적인 실체이고, 지금 이 시각에도 먼 우주계로부터 오는 신호가 검출되기도 한다.

 빛에 대한 두 관점인 입자와 파동은 물리학의 발전과 그 역사를 같이 하며, 이 두 가지 모델 각각은 과학 분야에서 모두 황금시대를 구가하기도 하였다. 20세기가 되자 어느 정도 빛은 파동과 입자 모두라는 것이 명백해졌지만, 여전히 빛은 정확히 둘 중 어느 것도 아니라는 것이다. 오랜 시간 빛에 대해 이러한 두 개념이 얽힌 상태를 파동-입자의 이중성(wave-particle duality)이라고 하였으나, 빛의 본질에 대한 이러한 모순적인 모델은 우리 시대의 위대한 과학적 사고의 동기가 되기도 하였다. 공식적인 개념에서 이는 물리학에서 가장 성공적인 이론체계로 평가되는 양자전기역학(quantum electrodynamics)이라는 새로운 분야를 만들어 낸 것이다.

 양자전기역학이란 전기를 띤 입자와 전자기장으로 이루어지는 계(系)를 상대론적인 양자장론으로 나누는 이론으로, 전자를 비롯한 하전 입자와 전자기장으로 된 미시적인 계를 지배하는 역학 체계이다. 이는 빛과 물질의 상호작용에 대한 양자역학적인 이론체계로서, 1965년 양자전기역학의 기초를 수립한 공로로 Tomonaga, Schwinger 그리고 Feynman 세 사람에게 노벨 물리학상이 수여되었다. 이로써 오랜 기간 논쟁의 대상이었던 빛의 파동-입자의 이중성에 대하여 종지부를 찍는 것 같았지만, 빛이 행동하는 규칙은 제공하였으나 빛의 실체에 대해서는 언급하지 못했다는 문제를 남겼다.

 많은 과학자들은 아직도 빛의 성질을 쉽게 이해하는 것은 상당히 어렵다는 것에 동의하고 있다. 빛을 형상화하는 데는 방대한 상상력이 필요하며, 더구나 이미 구축되어 있는 물리적 틀 내에서 기존의 현상과 의미를 포함하면서 새로운 형상을 추구하는 것은 훨씬 힘든 일이다. 아마도 파동과 입자의 두 상반된 개념을 가지고 빛을 형상화하는 것은 무리일지 모른다.

 

사진 3-2-1. Hoffmann의 <The strange story of the quantum> 표지

They could but make the best of it, and went around with woebegone faces sadly complaining that on Mondays, Wednesdays, and Fridays they must look on light as a wave; on Tuesdays, Thursdays, and Saturdays, as a particle. On Sundays they simply prayed.

"그들은 월요일, 수요일, 금요일에는 빛을 파동으로 보아야 하고 화요일, 목요일, 토요일에는 빛을 입자로 보아야 하며 일요일에는 단순히 기도만 하는 것으로 투덜거리면서 이 문제를 잘 해결하였지만, 여전히 비통한 얼굴을 하면서 되돌아갔다." -베네쉬 호프만-

 

 1947년 Hoffmann이 저술한 양자 세계에 대한 대중적인 입문서였던 <The strange story of the quantum>에 소개된 양자(quantum)라는 단어는 빛의 성질과 관련된 여러 가지 이론들을 이제 막 접하기 시작한 수많은 독자에게서 각광을 받아왔다. 구별이 불가능한 파동-입자라는 쌍둥이에 대한 놀랍고 유익한 이야기를 하면서 그는 빛의 실제 성질에 대해 그 시대에 느꼈던 좌절의 정도를 이렇게 멋지게 기술하였던 것이다. 그 후 거의 70년이 넘은 요즈음에도 이 '구별이 불가능한 쌍둥이'에 대한 퍼즐 문제는 여전히 지속되고 있다.

빛이란 무엇인가?

빛의 국어사전적 의미는 '시각 신경을 자극하여 물체를 볼 수 있게 하는 일종의 전자기파‘이지만, 이 표현만으로는 충분하지 않다. 분명히 빛은 전자기파라고 하는 파동이지만, 이에는 입자의 성질도 포함되어 있다. 즉, 빛은 파동으로서의 성질과 입자로서의 성질 모두를 가지고 있다. 따라서 빛을 단적으로 표현하면 ’빛이란 파동적 입자이다‘라고 할 수 있다.

참고문헌

1. 국립국어원. 표준국어대사전. 2020.
2. 김기식. 빛의 이중성. 한국광학회지 1993; 4 (1): 120-31.
3. 다니코시 긴지. 레이저의 기초와 응용. 일진사 2014: 18-9.

*1. Feynman RP. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press 1985.
*2. Feynman RP. Quantum Electrodynamics. Taylor & Francis Inc 1998.
*3. Hoffmann B. The strange story of the quantum. Dover Publications 1947: 42.
*4. Pedrotti FL, Pedrotti LS, Pedrotti LM. Introduction to optics. 3rd Edition. Addison-Wesley 2006: 1-2.
*5. Zajonc A. Light Reconsidered. Optics & Photonics News 2003; 14 (10): S2-S5.
 

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레이저의 구조와 원리