Optical Physics

빛에 대한 이해가 광물학에 있어서 무척 중요한 요소임을 알고 이에 대한 학습을 했다,
결국 괄물을 제대로 이해하려면 고등학교때부터 배웠던 물리와 화학 심지어 지질학을 이해하고 심지어는 우주 천체물리학까지도 이해가 필요하다는 결론에 다다르고 머리가 복잡해지긴 했으나 차근차근 자료를 찾아 보기 시작했다.
 

빛의 물리학 

 
파동과 입자가 빛의 중요한 성질이다

먼저 파동성에 대해 알아보자

 
한 파장의 길이를 영어로 wavelength라고 하며 1λ라고 한다.
이 단위가 얼만큼 있느냐는 파동의 진동수(frequency)로 알 수 있다. 이것이 파장의 속도이니 v라고 할 수 있다.
파장의 길이는 nm,cm 등으로 단위가 설정되고 파장의 진동수는 1초에 몇번 즉, sec-1이다

파장이 진행되는 속도(velocity)   속도=파장X진동수
 
빛의 속도는 c라고도 한다
(c=3.0*10의 8제곱 m/sec)


두번째로는 빛의 입자에 대해 알아보자

태양으로부터 날아오는 입자는 phton,quantum이라 한다
빛의 입자는 에너지를 가지고 있다.
 
E=hv   (h:planck 상수,  v:진동수)

이제 빛의 파장대를 알아보자
 

 

 
 
전자기파와 파장

전자기파(電磁氣波), 전자파 또는 전자기복사(電磁氣輻射, Electromagnetic radiation, EMR)는 전자기장의 흐름에서 발생하는 일종의 전자기 에너지이다.
 
특별히 전자기파는 파장의 길이에 따라 세분하여 거의 전 범위에 걸쳐서 이름이 붙여져 있다. 1m 이상인 가장 파장의 길이가 긴 라디오 파(전파)부터 시작하여 전자레인지에서 쓰이는 마이크로파 (1mm~ 1m), 물리 치료나 탐사 장치에 쓰이는 적외선 (750nm∼ 1mm), 우리가 평소에 빛이라고 칭하는 가시광선 (400~760nm), 피부를 그을리는 주요인인 자외선(100nm-380nm), 병원에서 진단을 목적으로 쓰는 X레이 (37.5nm~0.051nm) 및 원자 핵반응에서 생성되는 감마선 등 평소에 일상 생활에서 한번쯤 들어보았던 전자기파의 종류들은 모두 파장을 기준으로 하여 구분된 것들이다.
 
 

원적외선 (far Infrared, FIR) 이란?

 
 적외선(赤外線)은 태양의 복사 에너지의 하나로
태양광에 있는 자외선(紫外線), 가시광선 등에서 열(熱)에너지를 가진 적외선 부분 즉, 근적외선(近赤外線)과 원적외선(遠赤外線)을 말하며, 적외선 파장은 0.72㎛∼1000㎛ 범위의 가시광선(可視光線)보다 파장이 긴 전자파(電磁波)를 말한다.
 
적외(赤外)라 함은 "붉은 색의 바깥"이란 뜻으로 무색이며 눈에 보이지 않으며, 파장별로는 근적외선, 중적외선, 원적외선으로 분류되는데 파장이 3~1000㎛ 범주의 것을 원적외선(遠赤外線)이라 부른다. 
 
산업분야에서는 2.5∼25㎛의 파장이 주로 이용된다.
 

 
파장이 긴 적외선은 근적외선 (NIR), 원적외선(FIR)으로 구분할 수가 있는데
이중 제일 파장이 긴 원적외선은 그 하는 일이 우리 인간에게 이로운 것이 많기 때문에
여러 분야에서 많이 사용되고 있으며 앞으로 계속적인 연구가 필요한 분야 중 하나이다.
 
원적외선은 원적외선이 투사되어 물체에 흡수되면서 열에너지로 변환되는 성질을 이용하는 방법이 많이 쓰이고 있다.
 
예를 들면, 우리가 사우나탕에 들어 갔을 때 그 온도가 30℃일 경우에 거의 더운 기분을 느끼지 못하지만 같은 온도의 밖에 앉아 있으면 아주 기분 좋게  따스함을 느낄 수가 있는데 그 이유는 햋볕 속에 포함되어 햇볕이있는 원적외선이 피부 깊숙이 침투하여 진동하므로서 열을 발생시키기 때문이다.
 
원적외선을 방사하는 세라믹스를 가열하면 원적외선이 발생하여 음식물 등에 안팍으로 고루 열이 전달되므로 낮은 온도에서 조리할 수 있고 맛이 좋게 된다.
(냄비에 직접 조리하지 않고 돌을 달구어서 굽는 고구마가 맛이 있는 까닭도 돌에서 나오는 원적외선의 효과이다)
 
♣ 원적외선은 어떠한곳에 사용되고 있는가?
 
     1) 주택/건축 자재에 원적외선 방사 재료를 배합하여 빠른 건조 효과
     2) 냉장고, 온장고, 그릇 등 주방기구
     3) 섬유, 의류, 침구 등에 사용하여 아늑하고 따스함을 느낌
     4) 건강 사우나복에 첨가하여 고열을 피해 낮은 온도에서 한증효과를 느낄 수 있고 사우나탕 등에도 원적외선 세라믹스를 가열하여 사우나 효과 증대
     5) 의료기구에 사용하여 근육통, 관절통등의 온혈효과
 
♣ 원적외선(遠赤外線)의 특징
   ◎ 원적외선은 눈에 보이지 않는 광선이다.
   ◎ 원적외선은 공기의 조성물질에 잘 흡수되지 않는다.
   ◎ 원적외선은 장파장으로 직진성이 강하다.
   ◎ 원적외선은 유기화합물에 분자공진, 공명작용이 강하다.
   ◎ 원적외선은 화학작용이 적어 안정성이 높다.
 
[출처] 원적외선 이란?|작성자 프렌디

근적외선 (Near infrared Ray, NIR, IRC)

햇빛이나 발열체로부터 방출되는 빛을 스펙트럼으로 분산시켜 보았을 때 적색 선의 끝보다 더 바깥쪽에 있는 것이 적외선이며, 이 가운데 파장이 가장 짧은 전자기파가 근적외선입니다. 파장의 길이에 따라 분류하면 일반적으로 0.75~3㎛를 근적외선(NIR:IRA), 3~25㎛를 적외선(IRB), 25㎛의 이상을 원적외선(FIR:IRC)이라고 합니다.

적외선은 일반적으로 가시광선이나 자외선에 비해 열작용을 지니고 있어 의료용이나 공업용으로 많이 이용하고 있으며, 주로 소독이나 멸균, 관절과 근육 치료에 활용되고 있습니다. 특히 근적외선은 피부 피하층 6mm까지 침투하여 열전달이 뛰어나고 ATP, 산화질소를 생성하여 질병 치료에 크게 기여하고 있습니다.

미항공우주국 NASA(나사)가 우주인들의 건강을 위해 근적외선의 파장을 연구, 그 결과를 발표함으로써 근적외선의 인체 치유 효과가 주목받기 시작했으며, 생명선으로 각광받던 원적외선이 피부 0.5mm 겉의 피부만 자극하는 것에 비해, 근적외선은 6mm 깊이로 원적외선보다 12배 이상 피부 깊숙이 침투합니다.

NASA(미항공우주국)와 각국 의료계에서 30년 이상 연구하고 임상을 통해 입증한 치유 효능은 다음과 같습니다.
(출처 : 학술지 Nature 네이처 2006년 10월 호)

혈액순환 개선
원적외선보다 10mm 이상 피부 속을 침투하여 산화질소(nitric oxide)를 생성함으로써 모세혈관을 확장시키고 혈액순환을 개선합니다.

근육 이완과 피로 회복
혈관과 피부조직 노폐물 층에 강한 열 파장을 주어 독성물질 및 노폐물을 분산, 배출합니다. 이에 따라 혈액 공급의 증가, 근육 이완, 통증 완화, 피로 회복, 스트레스 해소 등의 효과를 나타냅니다.

신진대사 활성화
세포에서 에너지 대사의 중추를 이루는 세포 내 소기관 '미토콘드리아'를 활성화시켜 세포의 신진대사 및 에너지를 증진시킵니다. 증강된 에너지는 신체에 생기를 불어넣어 주고 노화를 막아주며, 탈모, 관절염, 염좌, 류머티즘 등의 퇴행성 증상을 늦추는데 도움이 됩니다.

뇌기능 발달에 도움
뇌기능 발달에 도움을 주어 인지 능력과 학습 능력을 향상시키며, 치매 예방에 도움이 됩니다.

 
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빛의 파장 (Wavelength) / 랩사이언스클럽 기고 내용

 

빛은 다양한 파장의 전자기파가 존재 합니다.

자외선 빛	190nm	~	380nm
가시광선	380nm	~	780nm
근 적외선	780nm	~	3,000nm(3μm)
중 적외선	3,000nm	~	30,000nm(30μm)

으로 분류 되며, 광학 박막으로 처리 하는 빛의 파장도 위의 범위 내에 있습니다.

이 중에서 육안에 보이는 파장은 가시광선 이지만, 형광등이나 태양광 거의 흰색으로 보이는 모든 색상이 거의 균일 하 게 섞여 있기 때문에, 실제로는 짧은 파장을 가진 파랑에서 긴 파장의 적색까지 색상이 존재 합니다.

무지개는 물방울의 프리즘 작용에 파장 별 빛이 분해 되기 때문에 발생 합니다.

 

빛의 파장

 

 

 

파장을 나타내는 단위로는 nm (나노미터)이 자주 사용 됩니다.   그래서, 1mm는 백만 분의 1 밀리, 즉 550nm의 파장의 푸른 불빛은 0.0055 mm의 파장입니다.

 

 
 
빛의 분산 (Dispersion)
 
빛은 파장에 따라 매체 속에서의 속도가 다르기 때문에 동일한 매체 중 에서도 파장 별로 굴절률이 달라진다.
무지개가 7 색으로 보이는 것도 비의 물방울에 의해 빛은 파장에 따라 상이한 굴절률에 휘어 있기 때문입니다.
 
파장이 짧은 푸른 빛은 굴절률이 높고 크게 휘며
파장이 긴 빨간 빛은 청색에 비해 굴절률이 낮기 때문에 덜 휘어진다.
 

 
아래 다이어그램은 광학 유리의 대표인 BK-7 파장 분산입니다.
단파장 쪽에서 굴절률이 높고 긴 파장 쪽으로 향해서 굴절율이 내려간 것을 알 수 있습니다.
 

 
실제 광학 박막 설계에 있어서, 기판 및 박막 재료의 파장 분포를 파악 하는 것은 원하는 분 광 특성을 얻기 위하여 중요 한 요소입니다.
 
굴절률 (Refractive Index)
 
굴절률 (n이 나타내는) 라고 하면 많은 사람들이 스 넬 법칙을 생각나 게 될 것입니다.
 

 
그러나,이 식은 빛이 대각선 방향에서 입사 하는 경우에는 이해할 수 있지만 빛이 수직으로 입사 하는 경우를 생각 하면 이해 하기 어려울 수도 있습니다.
이 때문에 굴절률 (n)는 진공 중의 빛의 속도 (C)와 매질 사이에서 빛의 속도 (V) 비 로 기억해 두면 편리 합니다
 

 
빛의 속도를 변경 하면 매체 속에서 굴절 하는 이유는 아무리 봐도 넓게 펼쳐진의 원리로 설명할 수 있습니다.

실제 두께와 광학 두께 (Physical Thickness & Optical Thickness)
 
일반적으로 「 두께 」 라고 말하면 실제 두께의 것을 말하고 있습니다.
즉 「 저울에 잰 길이 」입니다.
광학 박막의 세계에서는 실제 두께 보다 광학 두께를 사용 하는 것이 종종 있습니다.
 

 

빛에 대해 동일한 두께와 빛이 같은 시간에 전진 하는 거리입니다.

 

굴절률	n
실제 두께	d
광학 두께	nxd (=nd)

 

일반적으로 광학 두께는 취급 하는 빛의 파장의 1/4의 몇 배 인지 라는 기술을 사용 합니다.

이것은 광학 두께 1/4 파장 마다 빛의 위상 동일 하거나 대칭 이동 합니다.

예를 들면 파장 500nm의 빛에 대하여 광학 두께 100nm의 경우

 

와 같이 표기가 됩니다.

또한 아래 두께의 경우 표기 방식이 많이 사용 됩니다.

즉, QHQ 막 말하기, 다음과 같은 구성입니다, 보드 쪽의 두께를 나타냅니다.

 

 
 

바다와 하늘이 파랗게 보이는 이유 : 광물리학적 해석

 
 
'Light Scattering', 빛의 산란
빛은 항상 공간 내에서 최단 시간을 따라 이동하려는 직진성을 가지고 있는데, 거친 표면이나 아주 작은 입자들과 부딪치면 사방으로 흩뿌려지게 되는 현상을 의미한다. 시공간이 휘어있지 않은 이상 빛은 본질적으로 직진하는 성질을 가지고 있다.  그래서 빛이 만들어지고 있는 광원으로부터 방출될 때 애초부터 사방팔방 모든 방향으로 방출되지 않는 이상, 우리는 그 빛의 줄기를 두 눈으로 절대 볼 수 없다. 대표적인 예로 레이저의 경우, 빛이 한 방향으로만 방출되기 때문에 우리는 레이저가 지나가는 경로를 볼 수 없다.

하지만 이렇게 직진성을 가진 레이저 빛줄기도 경로 상에 어떠한 물질을 흩뿌리게 되면, 그 물질의 표면 등을 통해 직진하던 빛이 사방팔방으로 흩뿌려지게 되고 그렇게 되면 비로소 레이저가 진행하고 있는 경로를 볼 수 있게 됩니다.

이처럼 빛을 사방팔방으로 흩뿌리는 물체를 빛을 산란시키는 대상이라는 의미의 scatterer, 산란자라고 부르며 이 산란자는 물분자, 물체의 울퉁불퉁한 표면, 또는 대기 중에 부유하고 있는 작은 입자 등 우리 주변에서 아주 손쉽게 만날 수 있습니다. 이 산란자들이 빛을 사방팔방으로 산란시키게 되었을 경우에만, 산란된 빛의 일부분이 우리 눈으로 들어오게 되었을 경우에만 우리는 물체, 풍경, 도시 등 일상 속 수많은 대상을 볼 수 있는 것이다.

여기서 재미있는 것은 일반적으로 이렇게 빛을 산란시키는 과정에서 물질은 구성 성분에 따라 특정한 색깔 영역의 빛을 흡수한다는 것이다.

대표적으로 사과가 빨갛게 보이는 이유를 예로 들어보면
빛이 사과 표면에 도달하게 되면, 놀랍게도 그 표면에서 파란색 계열의 빛과 녹색 계열의 빛이 사과 속으로 흡수되고 붉은색 계열의 빛들은 사방팔방으로 산란이 일어나게 된다. 그렇기 때문에 우리의 눈에는 잘 익은 사과가 빨간색으로 보이는 것이며, 이처럼 색깔을 가지고 있는 모든 물체는 앞선 과정처럼 특정한 색깔 영역의 빛을 흡수, 반사하기 때문에 각각 고유한 색깔들을 지닐 수 있다.

그렇다면 이러한 물체들과 마찬가지로, 하늘이 파란색으로 보이는 이유는 다른 색깔 영역의 빛은 흡수시키고, 파란색 영역의 빛을 산란시키기 때문일까요? 이에 대한 답은 반은 맞고, 반은 틀렸다고 할 수 있다.

많은 자연 철학자들이 하늘이 파란색으로 보이는 이유에 대해 많은 연구와 가설을 제시했는데요. 이 현상에 대해 가장 깔끔하고 정확하게 설명한 과학자가 바로 존 윌리엄 스트럿 레일리 3대 레일리 남작 경이다.

레일리는 가시광선, 즉 빛이 가지고 있는 파장보다도 작은 미립자는 빛을 산란시킬 수 있다는 사실을 이론적으로 발견해내는데. 이러한 요인에 의해 빛이 산란하는 현상을 우리는 레일리 산란이라고 부른다. 레일리 산란에 따르면 파장이 짧은 파란색 빛은 대기 중의 미립자들, 즉 대기 상층을 이루고 있는 입자들에 의해 사방팔방으로 산란이 일어난다. 이 때문에 태양으로부터 출발해 지구로 들어오는 빛은 대기층에 부딪히게 되면서 태양 빛의 파란색 영역을 사방팔방으로 산란시키게 되고 이러한 이유 때문에 우리는 파란색 빛이 하늘을 가득 채우게 된다. 같은 이유로 대기가 없는 달 표면에서 바라본 하늘은 산란시킬 입자가 없기 때문에 어두컴컴한 우주를 그대로 볼 수 있다.

하늘을 붉게 만드는 노을도 바로 빛의 산란에 의한 것이다. 해 질 무렵 태양 빛이 지구에 도달하는 거리는 낮보다 훨씬 길어지게 되고, 우리 눈에 도달하기 전에 이미 파란색 빛은 산란해서 사라지게 됩니다. 파장이 긴 붉은 빛이 대기층에 많이 존재해 우리 눈 속에 들어오기 때문에 해질 녘의 하늘은 붉게 보이는 것이죠.

바다의 색깔도 파랗게 보이는 이유도 비슷한 사례의 예인데. 빛이 바닷물을 통과할 때 파장이 긴 붉은 계열은 안쪽으로 흡수되고 파란 계열이 표면으로부터 반사되기 때문에 파란색을 띠는 것입니다. 바다가 깊어질수록 검게 보이는 것은 빛이 모두 흡수되었기 때문이죠.
 

 
 
 

그리스 문자 읽는 법

대문자	소문자
Α	α	Alpha	알파
Β	β	Beta	베타
Γ	γ	Gamma	감마
Δ	δ	Delta	델타
Ε	ε	Epsilon	엡실론
Z	ζ	Zeta	제타
Η	η	Eta	에타
Θ	θ	Theta	테타
Ι	ι	Iota	이오타
Κ	κ	Kappa	카파
Λ	λ	Lambda	람다
Μ	μ	Mu	뮤
Ν	ν	Nu	뉴
Ξ	ξ	Xi	구자이
Ο	ο	Omicron	오미크론
Π	π	Pi	파이
Ρ	ρ	Rho	로우
Σ	σ	Sigma	시그마
Τ	τ	Tau	타우
Υ	υ	Upsilon	웁실론
Φ	φ	Phi	파이
Χ	χ	Chi	카이
Ψ	ψ	Psi	프 사이
Ω	ω	Omega	오메가

 

[출처] 빛의파장,분산|작성자 다사랑