전반사 실험

  

 

1. 임계각

빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행할 때 입사각이 임계각보다 클 경우 경계면에서 전부 반사(100% 반사)되는 현상을 전반사라고 한다. 일반적으로 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행하면 경계면에서 일부는 투과해 나가고 일부는 반사된다. 그러나 입사각을 점점 증가시키면 특정한 각 이상이 되었을 때 투과하는 빛은 전혀 없고 전부 경계면에서 반사한다. 이것을 전반사라고 하며, 이때 입사각을 임계각(臨界角)이라고 한다.

아래 그림에서 굴절률이 큰 매질1(n1)에서 굴절률이 작은 매질2 (n2)로 빛이 입사할 때, A, B, C 광선의 경우 일부는 반사하고 일부는 투과해 나가지만 D의 경우에는 밖으로 투과해 나가는 광선이 전혀 없다. 이때의 입사각이 임계각이다. 입사각이 임계각 Θc가 되었을 때 굴절각이 90˚가 된다.

스넬의 법칙 n1sinθ1 = n2sinθ2에서

가 된다.

 # 여러 가지 물질의 굴절률

물질	진공	공기	얼음	물	유리	다이아몬드
굴절률	1	1.0003	1.31	1.33	1.5내외	2.42

2. 물 안팎의 풍경

물(n1=1.33)에서 공기(n2=1)로 빛이 진행하는 경우 임계각은 스넬의 법칙으로부터 약 48°이다. 입사각이 임계각보다 더 커지게 되면 스넬의 법칙을 만족하는 굴절각이 존재하지 않게 되고, 공기 중으로 입사하는 모든 빛은 물속으로 전반사하게 된다. 이와 같은 경우 공기 중에서 물을 내려다보면 물속이 어떻게 보일까? 아래와 같이 광원을 꼭지점으로 하여 원뿔 내부만이 밝아 보이고 나머지 부분은 어둡게 보인다.

이제 역으로 수면 위를 쳐다보는 물고기의 입장이 되어 보자. 

그림에서 점 O로부터 퍼져나가는 여러 개의 광선이 보이고 있다. 입사각이 임계각(φc)보다 작을 때 광선의 일부는 반사가 되고 그 나머지는 굴절이 된다. 임계각보다 더 큰 각의 입사각에서 모든 광선은 전반사가 된다. 

광선의 진행 방향이 바뀌어도 광선은 같은 경로를 지나기 때문에 수중에서 수면 위에 있는 물체를 관찰하는 관측자는 물체가 마치 원뿔 내에 있는 것처럼 관측하게 되는데 이때 원뿔의 각도는 임계각(48°)의 2배(96°)가 된다.

따라서 물고기는 96° 의 각도만 가지고도 물 위의 180° 풍경을 모두 볼 수 있다. 기상학분야에서 180° 의 전체 시야를 사진으로 찍기 위해 어안 렌즈(fish eye lens)라는 특수 렌즈를 사용하는데, 바로 이러한 점에서 렌즈의 이름이 유래되었다고 한다.

[plus tip!]

 스넬의 창(Snell's window)

수중의 관찰자는 수면에 생긴 원형의 빛을 보게 됩니다. 외부의 한쪽 수평선에서 반대편까지의 180°전체 모습이 물 속에서는 임계각의 2배인 96°이내로 보이게 됩니다. 원뿔 밖에서 보이는 빛은 수면 아래의 빛들이 전반사해서 사람의 눈에 들어온 것입니다. 물론 원형의 빛에 비해 상대적으로 어둡기 때문에 원 모양만 두드러지게 나타납니다. 이것을 ‘스넬의 창’이라고 한다. 

     

다이버가 잔잔한 열대와 같은 맑은 수중에서 머리 위의 수면을 향해 바라보면, 시야의 가운데에 원형이 보이며, 가장자리들은 그늘져 보인다. 이런 원형창이 보이는 현상은 특별히 시야가 맑고 잔잔한 수면상태를 가진 바다라면 더욱 두드러진다.

 

▶ 관련동영상1

 

 

 

 

▶ 관련동영상2

 

 

 

 

▶ 관련동영상3