빛의 반사와 굴절
입자설과 파동설 어느 것으로도 빛의 반사(reflection)와 굴절(refraction)을 설명할 수 있다. 빛이 다른 매질로 들어서며 굴절하는 정도를 나타내는 굴절률은 상대적인 물리량이지만, 매질의 굴절률에 절대값을 부여하기 위하여, 진공의 굴절률을 1로 정하고 다른 매질들의 굴절률은 진공에 대한 상대적인 값을 절대값으로 부여한다. 빛은 매질 없이도 진행할 수 있지만, 물질과 만나면 물질(주로 전자)과 상호작용하면서 속력이 느려진다. 물질에 따라서 빛과 상호작용하는 정도가 다르므로, 빛의 속력이 늦어지는 정도인 굴절률은 물성을 드러내는 물리량이다. 일반적으로 밀도가 높으면 상호작용이 커져서 굴절률이 크기 때문에, 액체나 고체의 굴절률은 기체보다 크다. 빛은 그 자체로도 존재하지만, 전자기력을 매개하는 기본입자이지만, 고전적으로도 서로 수직한 전기장과 자기장의 파동(고전적 장 Classical Field)으로 이해할 수 있다.
아래는 굴절률과 속도, 파장, 굴절각과의 관계를 나타내는 스넬(Snell)의 법칙이다.
θ1= θ′1 반사의 법칙
sin θ1 /sin θ2 = v1/v2 = (c⁄n1 )/(c⁄n2 ) = n2/n1 = λ1/λ2 스넬의 법칙
빛은 파장이 짧을수록(에너지가 클수록) 물질과의 상호작용이 더 커서 더 느려진다. 따라서 여러 파장이 혼합된 백색 빛은 매질을 통과하면서 파장 별로 굴절각이 달라서 분리된다. 이렇게 빛을 나누는 것을 분광(分光)이라 하고 분광된 빛을 스펙트럼(spectrum), 분광하는 장치를 분광기(spectrometer)라 한다. 파동에서 보았듯이 파동의 회절은 파장이 길수록 잘 일어난다. 이렇게 파장 별로 회절의 정도가 다르기 때문에, 미세한 틈이 있는 회절격자(diffraction grating)로 분광할 수도 있다. 과학 실험에 사용되는 정교한 분광기는 대부분 회절격자를 사용하여 분광한다. 파장이 긴 붉은 색은 프리즘에서 굴절의 정도가 작고, 회절격자에서 회절의 정도가 큰 것을 다음의 그림에서 볼 수 있다. 비 온 뒤에 나타나는 무지개도 물방울에 의한 분광이다.
스넬의 법칙에 따르면, 파동이 속도가 더 큰 매질로 진입할 때 입사각보다 굴절각이 커진다. 입사각이 어느 정도 이상으로 커지면 파동은 다른 매질로 이동할 수 없이 굴절각이 90가 되는데, 이 입사 각도를 임계각(critical angle)이라 부르고 로 표기한다. 파동이 속도가 커지는 매질에 임계각보다 크게 입사되면, 굴절 없이 모든 파동이 반사만 할 수 있게 된다. 이러한 현상을 전반사(total reflection)라고 하며, 광통신은 광섬유의 전반사를 이용하여 손실(굴절)을 줄인 것이다. 광섬유는 빛을 전반사 할 수 있기 때문에 빛이 옆으로 새지 않아서 끝에서만 빛나는데, 광섬유를 구부리면 입사각이 작아져서 공기 중으로 굴절이 일어나고 굽어진 곳으로 빛이 새나온다.
