광선

광선

광선(ray of light , 光線)은 공간을 통과하는 빛이 지나가는 경로를 알아보기 쉽게 표시한 기하학적인 선이다. 광선은 점광원의 빛을 칸막이에 뚫어 놓은 구멍을 통하여 꺼낼 때 회절의 현상이 일어나지 않는 것으로 치고 구멍을 작게한 극한에 있어서 얻어지는 무한히 가는 광선속(光線束)을 말한다. 광선은 광학계를 통한 빛의 전달을 모델링 하는데 사용되며 빛줄기라고도 한다.

개요

광선은 기하광학 등에서는 빛을 광선 또는 광선속으로 대표시키는 경우가 많으나 분리능의 한계 등은 파동으로 본다. 광선은 실제 빛의 파면에 수직인 선을 선택함으로써 얻을 수 있는 빛의 이상적인 모델로서 에너지 흐름의 방향을 가리킨다. 일상에서 가장 흔히 접할 수 있는 광선은 가시광선으로 말 그대로 빛 그 자체이다. 빛 역시 파동이므로 넓은 범위에 펴져있는 파면에 의하여 전파되는 것이다. 그러나 우리가 일상생활에서 보는 빛은 줄기를 가지고 진행하는 듯이 보인다. 아침 햇살이 나뭇가지 사이로 비추어질 때 그 빛은 직선으로 된 가닥을 따라 진행하는 것처럼 보이는 것이나 플래시를 비추면 어둠 속으로 빛의 선을 따라 나가는 것처럼 보이는 것으로부터 우리는 광선의 개념을 느낄 수 있다. 특히 레이저의 경우에는 그 빛의 줄기가 가늘어서 마치 단 하나의 광선이 있는 것으로 생각할 수 있다. 파동에 대하여 그 파면이 나아가는 방향을 정의할 수 있어 광선의 개념을 생각할 수 있다.

광선은 빛 에너지가 흐르는 가상의 선으로 전파하는 빛의 파면에 수직하게 직진하며 파면상의 한 점이 이동하는 경로이다. 빛은 전자기파는 그 파장이나 진동수에 따라 광선영역, 광학영역, 전파영역으로 구분한다. 광선영역은 감마선(0.03㎚ 이하)과 X선(0.03~30㎚)으로 구분되고 광학영역은 자외선(30~400㎚)과 가시광선(400~700㎚), 적외선(0.7~300㎛), 그리고 전파영역은 마이크로파(0.3㎜~300㎜), 라디오파(300㎜ 이상)로 구분된다. 가시광선의 빛은 그 파장에 따라 나타내는 색이 다른데 1가지 색을 띠는 빛 즉 같은 파장이나 진동수를 가진 빛은 단색광(monochromatic light)이라 하며 여러 파장의 빛이 혼합되어 있는 빛은 복합광이라 한다. 이러한 빛에 대해 연구하는 학문을 광학(optics)이라고 한다.

광선은 균질의 매질(媒質) 속에서는 직선이 되고 광선 속도, 즉 에너지의 전파속도는 등방성 매질 속에서 법선속도 즉 광파의 위상속도와 일치하며 무균질 매질 속에서는 굴절률이 큰 쪽으로 굽는다. 광선이 경계면에 달하면 반사, 굴절 현상을 일으켜 2가닥으로 갈라지는데 전반사를 일으키기도 한다. 광선은 굴절률이 일정한 공간에서 직진하다가 매질의 경계에서는 굴절의 법칙을 따라서 굴절하는 단순한 행동을 하기 때문에 어떤 광학기구에서나 광선의 행동을 끝까지 추적할 수 있다. 이를 광선추적(ray trace)이라 하는 데 광선이 하나둘이라면 이러한 계산은 그렇게 어려운 일은 아니다. 그러나 실제로 광선의 집단적으로 여러 위치에 또 여러 방향으로 향할 때 이를 총체적으로 다루는 것은 고단한 작업이다. 보통은 주어진 광학계가 가진 결상능력을 광선추적법으로 컴퓨터로 빠르게 계산한다. 레이저는 모든 광자가 똑같은 에너지를 가지고 같은 방향으로 나아가는 강한 광선을 만드는 장치이다. 레이저는 과학 연구, 외과 수술, 전화 통산 따위에 중요하게 쓰이며 군사나 산업 분야에 널리 쓰인다.

특징

• 빛은 단일 광선에 의한 직선으로 설명이 가능하다.
• 빛의 파면에 수직으로 진행한다.
• 광선은 교차 가능하나 서로 영향을 미치지 않는다.
• 광선은 반사될 수 있다.
• 서로 다른 매질 경계면에서 진행방향이 바뀌어 굴절된다.

기하광학

입사광선과 반사광선

광선 굴절

빛을 광선의 집합으로 보고 그것이 전파되는 경로나 상의 형성 등을 기하학적으로 고찰하는 학문이다. 균일한 매질 속에서는 직진하고 다른 매질과의 경계면에서는 반사 및 굴절하는 성질을 가진 물질로서의 빛을 다룬다. 빛의 통로가 그 파장만큼 좁을 때나 광학계를 이용한 상의 미세한 부분을 살필 때 등을 제외하면 근사적이기는 하나 매우 유효하게 빛의 경로나 상이 맺히는 모양을 연구할 수 있다. 현미경, 망원경 등 광학기계의 설계에 중요한 학문이다.

반사

진행하는 광선 파동이 그 파동의 파장보다 큰 장애물에 부닥칠 경우 반사된다. 빛이 서로 다른 두 물질의 경계면에서 반사할 때 경계면에 들어오는 빛을 입사 광선, 반사하여 나가는 빛을 반사 광선이라고 한다. 이때 두 물질의 경계면에 수직인 선을 법선, 입사 광선과 법선이 이루는 각을 입사각, 반사 광선과 법선이 이루는 각을 반사각이라고 한다. 입사 광선과 반사 광선은 법선의 양쪽에 있고 두 광선과 법선은 같은 평면상에 있으며 입사각과 반사각은 항상 같다.

반사의 종류

• 정반사 : 매끄러운 거울면에 평행 광선이 비치면, 반사 광선도 평행 광선이 된다.
• 난반사 : 대부분의 물체의 표면은 매끄럽지 않고 울퉁불퉁하다. 이러한 물체에 평행 광선이 비치면 각각의 빛은 반사의 법칙에 따라 반사하지만 반사 광선은 서로 다른 방향으로 진행하게 된다. 우리가 물체를 어느 방향에서나 볼 수 있는 것은 물체의 표면에서 일어나는 난반사 때문이다.

굴절

한 매질에서 진행중인 광선이 다른 매질과의 경계면에 닿으면 일부는 반사되고 나머지는 다른 매질 속으로 투과된다. 이때 투과되는 빛은 경계면에서 꺾이며 굴절되었다고 한다. 이 경우에 입사광선, 반사광선, 법선 및 굴절광선은 모두 한 평면에 있다. 굴절각 θ₂는 두 매질의 성질 및 입사각에 의해 결정되며 다음과 같은 관계를 가진다.

참고자료

• 〈광선〉, 《위키백과》
• 〈광선〉, 《네이버 지식백과》
• 〈광선〉, 《네이버 지식백과》
• 〈광선〉, 《나무위키》
• 〈광선(ray of light, 光線)〉, 《사이언스올》, 2015-12-02
• 〈광선〉, 《정보통신기술용어해설》, 2020-09-23
• 〈기하광학의 시작, 광선 이야기〉, 《티스토리》, 2018-03-27
• 〈광선과 빛의 전파〉, 《물리의 이해》
• 〈기하광학〉, 《레포트월드》

같이 보기

• 가시광선
• 빛

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