빛 반사의 원리

빛과 다른 형태의 전자기 방사선의 반사는 빛의 파동이 표면이나 경계에 부딪치고 방사선의 에너지가 흡수하지 않은 채 튀는 현상입니다.

가시광 반사의 가장 간단한 예는 웅덩이의 부드러운 수면입니다. 입사광이 규칙적으로 반사되어 웅덩이 주위의 경치를 선명하게 비추어냅니다. 물에 돌을 던지면 물이 흐트러져 파도가 생기고 반사 광선을 모든 방향으로 산란시켜 반사를 방해합니다.

빛의 반사에 관한 가장 오래된 설명은 고대 그리스 수학자 유클리드가 했습니다. 그는 기원전 300년 전후에 일련의 실험을 했고 빛의 반사작용을 깊이 이해하고 있었다고 생각됩니다. 약 1500년 후 아랍 과학자 Alhazen은 광선이 매끄러운 면에 닿아 공중에 튀는 작용을 정확하게 나타내는 법칙을 발표했습니다.

입사하는 빛의 파동은 입사파, 면에서 튀는 파동은 반사파라고 합니다. 어떤 각도로 거울 표면을 향하는 가시 백색광(입사)은 입사각과 동일한 각도로 거울 표면에서 공중으로 튀어나옵니다(반사). 이것은 부드럽고 평평한 거울에 손전등의 광선이 닿는 작용과 같습니다. 따라서 가시광선 및 기타 모든 전자기 방사선 스펙트럼 파장에서 입사각은 반사각과 동일합니다. 이 개념은 일반적으로 반사의 법칙이라고 합니다. 중요한 것은 빛이 그 구성 색으로 분리되지 않는다는 것입니다. 굴절이 없이 모든 파장이 동일한 각도로 반사되기 때문입니다. 반사광에 최적인 면은 거울이나 금속 등 매우 매끄러운 것이지만 거의 모든 것의 표면은 어느 정도의 빛을 반사합니다.

빛의 파동이 부드럽고 평평한 표면에 입사하면 도달했을 때와 같은 각도로 표면에서 반사됩니다. 아래의 링크에서 가시 정현파 광의 파동에서 입사각과 반사각의 관계를 확인할 수 있습니다.
https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/java/reflection/reflectionangles/

빛은 파동과 입자로 구성되는 것처럼 느껴지기 때문에 빛의 반사에 대해 여러 개의 개별 이론이 탄생했습니다. 웨이브 기반 이론에 따르면 빛의 웨이브는 광원에서 모든 방향으로 퍼지고 거울에 닿으면 빛이 도달한 각도에 따라 각도로 반사됩니다. 반사 과정에서 모든 파동이 거꾸로 반전됩니다. 그 때문에 반전한 상을 볼 수 있습니다. 빛의 파동의 모양은 광원의 크기와 파동이 거울에 도달할 때까지의 거리에 의해 결정됩니다. 거울 근처에서 나오는 파면은 크게 만곡되는 반면, 멀리 있는 광원에서 나온 파면은 거의 직선이 됩니다. 이것은 반사각에 영향을 미칩니다.

파동설과는 몇 가지 중요한 부분에서 다른 입자설에 의하면 빛은 작은 입자(광자)의 흐름으로 거울에 도달해 면에 충돌하면 튀어나옵니다. 입자는 매우 작기 때문에 서로 매우 가까이(대부분 붙어) 이동하고 다른 장소에서 반사됩니다. 이 반사과정은 순서를 반전시켜 거울 이미지를 생성합니다. 빛이 입자인지 파동으로 작용하는지에 관계없이 반사의 결과는 동일합니다. 반사된 빛은 거울 이미지를 만듭니다.

물체에서 반사되는 빛의 양과 반사하는 방법은 표면의 매끄러움과 질감에 따라 크게 다릅니다. 표면 불완전성이 입사광의 파장보다 작은 경우(거울 등) 거의 모든 빛이 똑같이 반사됩니다. 그러나 현실 세계의 대부분의 물체는 난반사를 일으키는 복잡한 표면을 가지고 입사광이 모든 방향으로 반사합니다. 평소 아무렇지도 않게 보는 많은 것(사람, 차, 집, 동물, 나무 등)은 그 자체가 가시광을 발하는 것이 아니라 입사하는 자연광이나 인공광을 반사하고 있습니다. 예를 들어 사과가 붉게 윤기 있는 것은 상대적으로 매끄러운 표면이 붉은 빛을 반사하고 붉은 색 이외의 녹색, 파란색, 황색 등의 빛의 파장을 흡수하기 때문입니다.

빛의 반사는 크게 두 종류가 있습니다. 거울반사는 일정한 각도로 매끄러운 면에서 반사된 빛인 반면, 난반사는 거친 면에서 발생하는 모든 방향으로 반사하는 빛입니다. 평상시의 환경에서는 거울반사보다 난반사 쪽이 훨씬 많이 볼 수 있습니다.

거울반사와 난반사의 차이를 시각화하기 위해 매끄러운 거울과 거칠고 붉은 면이라는 크게 다른 2개의 면을 생각해 봅시다. 거울은 백색광의 모든 구성색(적색, 녹색, 청색 등의 파장)을 거의 동일하게 반사하고 반사광은 입사광과 동일한 각도의 궤도를 진행합니다. 그러나 거칠고 붉은 표면은 모든 파장을 반사하는 것은 아닙니다. 파란색과 녹색의 구성 색을 거의 흡수하고 붉은 빛을 반사하기 때문입니다. 또한 거친 면에서 반사된 산광은 모든 방향으로 산란합니다.

일상적으로 보는 반사의 예로서 아마도 가장 알기 쉬운 것은 하루에 몇 번이나 자신의 모습을 보기 위해서 사용하는 가정용 거울에 비치는 모습입니다. 거울이 가진 매끈한 유리 표면은 보는 사람의 허상을 눈에 직접 반사합니다. 이 작용이 가장 쉽게 보이는 경우는 보는 사람의 한쪽에 물체를 놓고 그 물체로부터의 반사광이 거울에 닿도록 관찰하는 경우입니다.

거울에서 보이는 반사의 종류는 거울의 모양에 따라 다르며 어떤 경우에는 반사되는 물체의 위치에 따라 달라집니다. 거울은 평평하지는 않지만 흥미롭고 유용한 성질의 반사를 일으키는 다양한 구성으로 만들 수 있습니다. 대형 광학망원경에서 자주 볼 수 있는 오목거울은 별에서 나온 희미한 빛을 모으는 데 사용됩니다. 곡면에서 매우 멀리서 온 평행광선을 한 지점에 모아 강도를 강화합니다. 이 디자인은 면도 및 화장용 거울에서도 흔히 볼 수 있으며 반사광이 얼굴 확대 이미지를 만듭니다. 광택 있는 숟가락의 안쪽은 오목한 거울 표면의 본질을 보여주는 좋은 예로 이런 종류의 거울을 설명하는 데 자주 사용됩니다. 숟가락 안쪽을 눈에 가까이하면 눈이 확대된 정립상을 볼 수 있습니다. 이 경우 눈은 거울의 초점보다 가깝습니다. 스푼을 멀리 움직이면 얼굴 전체를 축소한 도립상을 볼 수 있습니다. 이미지가 반전되는 이유는 반사광이 거울의 초점을 통과한 후에 이미지가 생성되기 때문입니다.

곡면을 가진 다른 일반적인 거울은 자동차의 백미러에 자주 사용됩니다. 거울 외부의 곡면이 차 뒤에서 일어나고 있는 것을 작은 파노라마 뷰에 비추어 줍니다. 평행광선이 볼록거울에 닿으면 광파가 바깥쪽으로 반사되어 분산됩니다. 뇌가 광선을 추적하면 광선이 모이는 거울 뒤에서 나타나고 작은 정립상이 비추어집니다 (이 상이 정립적인 것은 광선이 초점을 통과하기 전에 허상이 만들어지기 때문입니다). 볼록거울은 안전을 위해 복도 및 기업 내에 설치된 광각거울에도 사용됩니다. 곡면거울의 가장 흥미로운 용도로 사용되는데, 이러한 거울은 오목면과 볼록면이 혼재한 형태로 제작이 되어 있거나 표면의 곡률이 완만하게 변화하고 있는 것이 많아 사람들이 자신을 비추었을 때 이상하게 왜곡된 반사가 만들어집니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 光の反射の概論
https://www.olympus-lifescience.com/ja/microscope-resource/primer/lightandcolor/reflectionintro/