빛의 산란(Scattering) : 산란의 정의, 종류, 방향, 그리고 세기

 

우리가 어떤 물체를 볼 수 있는 이유는

그 물체에서 빛이 반사되어

우리의 눈으로 들어와 망막에 맺히고

이 신호가 시신경을 타고 뇌로 들어오기 때문이다.

 

빛의 산란(하늘에서 색이 보이는 이유는 산란 때문이다.)

그렇다면, 우리가 아무것도 없는 하늘을 보고

특정 색을 느낄 수 있는 이유는 무엇일까?

태양이면 그냥 하얀 빛을 볼 수 밖에 없는 것 아닌가?

 

하늘에서도 빛이 반사되기 때문이다.

정확하게는, 하늘에 존재하는 입자들에 의해

빛이 산란되기 때문이다.

 

산란? 그게 뭘까?

지금부터 자세히 알아보자.

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목차

1. 산란이란?

2. 산란 : 하늘의 색이 푸르고 붉은 이유

3. 산란의 종류 및 세기

4. 산란의 방향

5. 산란으로 인한 편광

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1. 산란(Scattering)이란?

빛이 공기중의 질소, 산소, 먼지, 수증기

혹은 유기체의 세포, 어떤 물체의 거친 표면 등

작은 입자들과 부딪칠 때

빛이 사방으로 재방출 되는 현상을

빛의 산란이라고 한다.

 

산란을 일으키는 입자를 산란자(Scatterer)

또는 산란 중심(Scattering center)이라고 한다.

 

앞서 말했던 작은 입자들이 산란자가 되는 것이다.

 

2. 산란 : 하늘의 색이 푸르고 붉은 이유

 

낮에 하늘이 푸르게 보이는 이유는 단파장이

더 산란이 잘 되기 때문이다.

단파장(보라 빛, 푸른 빛)은 계속해서 산란하면서

우리의 눈으로 들어오기 때문이다.

 

다만, 보라색이 파장이 더 짧은데

하늘이 푸르게 보이는 이유는

우리의 시신경이

보라색보다는 파란색을 더 민감하게

인식하기 때문이다.

 

새벽이나 해질녘에 하늘이 붉게 보이는 이유는

빛이 상대적으로 먼 거리를 진행하면서

단파장는 관찰자에게 도달하기 전에 산란되어

장파장이 더 많이 관찰자에게 도달하기 때문이다.

 

3. 산란의 종류 및 세기

산란의 충돌 입자간 에너지의 교환이 일어나지 않는가,

일어나는가에 따라 탄성 산란(Elastic Scattering),

비 탄성 산란(Inelastic Scattering)로 구분되고

 

탄성 산란은 입자의 크기에 따라,

정확하게는 α(극 갈림도(?) : 산란의 종류를 결정하는 파라미터)의 크기에 따라

레일레이 산란, 미에 산란, 기하학 산란으로 구분된다.

 

 - 레일레이 산란(Rayleigh scattering)

빛의 파장보다 훨씬 작은 입자에 의한 산란이다.

산란광의 세기

산란광의 세기는 파장의 네제곱에 반비례한다.

즉, 파장이 길어질수록

산란되는 빛의 양이 급격하게 줄어든다.

 

일반적인 대기의 기체에

빛이 충돌할 때 일어나는 대부분의 현상으로

맑은 날 푸른 하늘,  새벽/저녁 하늘의 붉은 하늘이

레일레이 산란으로 인한 대표적인 현상이다.

 

 - 미에 산란(Mie scattering)

빛의 크기와 비슷한 크기의 입자에 의한 산란이다.

산란광의 세기는 파장에 반비례한다.

레일레이 산란에 비해 상대적으로 파장에 덜 의존적이다.

먼지가 많은 날 하늘이 뿌옇게 보이고,

뭉게 구름이 하얗게 보이는 것들이

미에 산란의 대표적인 현상이다.

(먼지, 수증기가 일반적인 공기의 원자들보다 크다.)

 

- 기하학 산란(Geometric scattering)

입자가 파장보다 훨씬 큰 경우,

기하학 법칙을 따르는 산란이다.

사실, 이 경우는 음,,, 기하학 산란이라는 내용이

적혀 있어서 가져오기는 했는데

산란이라고 하는게 맞는지 모르겠다.

반사나 굴절이라고 해야하는게 맞지 않나 싶다.

(아니면, 반사나 굴절도 산란의 한 종류인건가,,?)

 

 

비탄성 산란은 유도 라만 산란(SRS, Stimulated Raman Scattering),

유도 브릴루앙 산란(SBS, Stimulated Brillouin Scattering) 등으로 구분된다.

비탄성 산란이 발생하면 빛의 에너지가 변하므로

아래의 식에 따라 파장도 변한다.

즉, 우리가 보는 색이 변할 수 있다.

근데, 뭐 아마 비탄성 산란을 접할 기회는 거의 없을 거다.

 

 

4. 산란의 방향

산란이라고 하면 빛 입자와 장애물 입자가

충돌한 쪽(빛의 진행 반대 방향)으로 더 산란이 많이 일어날 것 같지만

그렇지 않다.

 

레일레이 산란은 사방으로,

 

미에 산란은 빛의 진행방향으로

산란이 잘 되는 특징이 있으며

이는 입자의 크기가 클수록 더 뚜렷하게 나타난다.

(미에 산란의 경우)

 

5. 산란으로 인한 편광

 

 

산란에는 편광 효과가 있다.

어떤 입자의 진동 방향에 따라

산란되는 빛은 편광을 갖는다.

다이폴 축과 평행한 빛은 통과하지 않고

다이풀 축과 수직인 빛은 100% 통과한다.

따라서, 각각의 방향으로 산란된 빛은

원래 빛의 세기보다 약해지는 것이다.

 

하늘에서 산란된 빛이 편광이라는 것은

실생활에서 쉽게 확인 할 수 있는데,

 

사진을 찍을 때 편광 필터를 사용해보면

하늘이 극도로 어두워지는 것을 볼 수 있다.

(애초에 편광이 없다면 편광 필터를 사용해도

엄청 어두워지진 않는다.)