색은 우리의 일상을 아름답게 만드는 중요한 요소입니다. 그러나 색의 세계는 복잡하고 다양한 물리학적 현상에 의해 결정됩니다. 이 포스팅에서는 선택적 반사, 선택적 투과, 그리고 색채의 다양한 물리학적 현상을 탐구하고, 우리가 일상에서 겪는 색의 신비를 해석해 보겠습니다.
1. 색이란?
5월에 피는 장미꽃은 빨갛고 백합은 하얗습니다. 과학자에게 물체의 색이란 어떤 것일까요? 우리가 보는 물체의 색과 관련된 물리학적 의미는 첫 번째 주파수와 관련되어 있습니다. 즉, 빛의 주파수가 다르면 우리 눈에 다른 색으로 인식되는 것이죠. 인간이 느낄 수 있는 가장 낮은 주파수의 색은 빨간색으로 보이며, 가장 높은 주파수의 색은 보라색으로 보입니다. 이 두 색 사이의 스펙트럼을 이루는 무한히 많은 수의 색이 존재합니다. 우리 주위에서 보이는 물체들은 전등이나 가스 방전관 또는 레이저 등을 제외하고는, 대부분 빛을 복사하지 않고 반사만 합니다. 이들은 입사하는 빛 일부만 반사하는데 이 반사된 빛들이 물체의 색을 제공합니다.
2. 선택 반사
장미꽃은 빛을 복사하지 않고, 다만 빛을 반사합니다. 햇빛을 프리즘에 통과시켜 얻은 색 스펙트럼의 여러 색에 빨간색 꽃잎을 놓고 보면 빨간색을 제외한 모든 색에서 꽃잎은 갈색 또는 검은색으로 보입니다. 이는 꽃잎이 빨간색은 반사하나 다른 색들은 반사하지 못하기 때문입니다. 어떤 물체가 왜 특정한 색의 빛만을 선택해서 반사하는지 이해하기 위해서 먼저 원자에 대해서 생각해 봅시다.
빛이 반사하는 과정은 나란히 서 있는 두 개의 소리굽쇠에서 옆에 있는 소리굽쇠의 영향을 받아 진동하는 제2의 소리굽쇠가 소리를 반사하는 과정과 비슷합니다. 두 소리굽쇠는 서로의 주파수가 완전히 일치하지 않아도 이웃 소리굽쇠의 진동에 맞추어 진동할 수 있습니다. 서로의 주파수가 맞지 않으면 진폭만 작아집니다. 원자나 분자에서도 사정은 비슷합니다. 전자는 진동하는 전자기파의 영향을 받아 진동합니다. 일단 진동하기 시작하면 이들 전자들은 진동하는 제 2의 소리굽쇠가 음파를 발사하듯이 다시 전자기파를 복사합니다.
물질들은 보통 어떤 주파수의 빛은 반사하고 나머지 다른 주파수의 빛은 흡수합니다. 물체는 비치고 있는 빛의 주파수에 해당하는 빛만을 반사합니다. 따라서 물체의 색은 그 물체를 비추고 있는 빛의 색과 관련이 있습니다. 예를 들어, 백열등은 햇빛에 비해 저주파 성분이 상대적으로 더 많이 있기 때문에 백열등 아래에서 물체를 보면 물체는 빨간색이 더 강조되어 보입니다. 빨간색이 약간 포함되어 있는 옷은 형광등 아래에서 볼 때보다 백열등 아래에서 볼 때 빨간색이 더 두드러져 보입니다.
3. 선택 투과
투명한 물체의 색은 그 물체를 투과하는 빛의 색과 관련이 있습니다. 빨간색 유리는 흰색에서 청록색, 즉 빨간색을 제외한 모든 색은 흡수하고 빨간색만을 투과하기 때문에 빨갛게 보이는 것입니다. 이와 비슷하게 노란색 유리는 그 유리를 비추고 있는 색 중에서 노란색만을 투과시키고 다른 색의 빛들은 모두 흡수하기 때문에 노랗게 보입니다. 원자의 관점에서 보면 색소 분자에 있는 전자들에 빛을 비추면 전자들이 진동합니다. 일반 유리는 가시광선 내의 모든 주파수의 빛들을 모두 잘 투과시킵니다.
4. 빛의 혼합
프리즘을 통과한 햇빛을 보면 햇빛은 가시광선 모두로 합성되어 있음을 알 수 있습니다. 사람의 눈이 이 영역에서 가장 감도가 높게 발달되어 있습니다. 이 때문에 소방차나 테니스공의 색은 사람의 눈에 잘 띄도록 노랑-초록으로 만듭니다.
모든 색의 빛을 더해서 보면 흰색으로 보입니다. 사람의 눈에서는 세 종류의 원뿔 모양의 수용체가 색을 감지합니다. 각 수용체는 특정 주파수 빛에만 반응합니다. 가시광선 중에서 낮은 주파수의 빛은 낮은 주파수의 빛만을 감지하는 원뿔 수용체가 감지하며 빨간색으로 보입니다. 우리 눈의 세 원뿔 수용체가 각각 반응하는 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 적당히 더하면 가시광선에 속하는 어느 색의 빛이라도 만들 수 있습니다. 이 때문에 빨강색과 초록색, 파란색을 가산 원색이라 부릅니다.
5. 하늘은 왜 푸른가?
햇빛이 대기의 산소나 질소 분자들에 의해 산란될 때 보라색이 가장 많이 산란 됩니다. 파란색, 초록색, 노란색, 주황색, 빨간색 순으로 빛의 산란 강도가 정해집니다. 빨간색은 보라색의 1/10 정도로 산란 됩니다. 보라색이 가장 강하게 산란 되지만 사람의 눈은 보라색에 그리 예민하지 않습니다. 따라서 하늘에서 산란된 빛 중 파란색이 우리의 시각을 지배하여 하늘이 푸르게 보이는 것입니다.
하늘의 푸른빛은 지역에 따라 다르고 기타 여러 조건에 따라 다릅니다. 주 된 요소는 대기 중에 있는 수증기의 양입니다. 맑고 건조한 날의 하늘은 맑고 습기 찬 날의 하늘보다 훨씬 깊은 파란색을 띱니다. 산소나 질소 분자보다 큰 먼지나 입자들을 포함하고 있는 대기에서는 낮은 주파수의 빛도 상당히 산란 됩니다. 이 때문에 하늘은 덜 푸르고 약간 흰색까지 띱니다. 비가 많이 온 후에는 공기 중에 있는 먼지들이 씻겨 없어졌기 때문에 하늘이 깊은 파란색으로 보입니다.6.
6. 노을은 왜 붉게 보이는가?
산란 되지 않은 빛은 투과됩니다. 빨간색, 주황색, 노란색 빛은 대기 중에서의 산란이 가장 적으므로 이 낮은 주파수의 빛들은 더 많이 대기를 투과합니다. 빨간색이 가장 적게 산란하므로 대기 중을 가장 멀리 통과합니다. 햇빛이 우리 눈에 도달하기까지 통과해야 할 대기층이 두꺼울수록 햇빛 중의 높은 주파수 빛은 산란할 기회가 많아집니다. 노을에는 햇빛이 더 먼 거리를 통과해야 하므로 석양이 붉게 보이는 것입니다.
노을의 색은 가산 법칙으로 잘 이해됩니다. 흰색에서 파란색을 빼면 남는 보색은 황색입니다. 높은 주파수의 보라색을 빼면 남는 보색은 주황색이 됩니다. 중간 주파수의 빛인 초록색 빛을 빼면 자홍색이 남습니다. 대기의 조건에 따라 남는 색이 변하는데 대기의 조건이 매일 변하므로 노을색도 매일 다른 것이지요.
7. 구름은 왜 하얗게 보일까요?
구름은 다양한 크기의 물방울들이 모여서 이루어져 있습니다. 물방울들의 크기에 따라 산란되는 빛의 색도 다릅니다. 아주 작은 물방울들은 푸른색 구름을 만들고, 조금 큰 물방울로 된 구름은 초록색으로 보이며, 큰 물방울들은 붉은색 구름을 만듭니다. 모든 색을 산란시키면 흰색 구름이 됩니다. 많은 전자들이 모인 무리 안에서는 가까이 있는 전자들끼지는 결을 맞추어 진동합니다. 이 결과 전자들이 제멋대로 진동할 때 보다는 산란되는 빛의 세기가 훨씬 강하고 따라서 구름은 밝게 보입니다.
물방울의 크기가 아주 더 커지면 입사하는 빛이 흡수되기 시작하며 산란되는 빛의 세기는 줄어듭니다. 이 때문에 큰 입자로 된 구름은 짙은 회색을 띠고 어둡게 보이며, 물방울의 크기가 더 커지면 지상에 떨어지면서 비가 오게 됩니다.