빛에너지
빛에너지(light energy)는 전자기파의 일종인 빛이 가지고 있는 에너지를 가리킨다. 단위는 줄(J)이다. 빛에너지는 빛에 포함되어 있는 광자의 수와 광자의 진동수인 파장에 의해 결정된다.
개요
광자의 에너지는 진동수에 의해 결정되며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
E = hν = h ∙ c/λ
h : 플랑크 상수
E : 에너지
ν : 진동수
c : 빛의 속도
λ : 파장
진동수를 나타내는 문자는 그리스 문자인 ν이며, 라틴 문자의 v가 아니다.
상세
빛에너지는 말 그대로 빛의 에너지이다. 일상적으로는 빛이 전자기파의 일부 영역에 해당되는 가시광선의 의미로 사용되므로 빛 에너지를 가시광선의 에너지로 사용할 수도 있지만, 넓은 의미로는 모든 전자기파의 복사에너지로 정의될 수 있다.
빛에너지는 빛의 속도로 진행하는 에너지의 흐름을 어떻게 보는가에 대한 빛의 성질과 관련하여 정의할 필요성이 있다. 빛을 광자처럼 입자로 보는가 또는 전자기파처럼 파동으로 보는가에 따라서 서로 다른 방법으로 접근할 수 있다.
빛을 입자로 취급하는 양자역학의 관점에서는 빛을 광자(photon)라고 불리는 입자들로 구성된 것으로 보는데, 각 광자의 에너지는 hf이다. 여기서 'h는 플랑크 상수(Planck's constant)라 불리는 상수이고, f는 빛의 진동수이다. 만약 진동수가 N인 광자의 갯수가 인 계(system)가 있다고 한다면, 이 때 이 계의 빛 에너지는 Nhf가 된다. 진동수(f)는 파장('λ)과
f = c/λ, c = (진공에서의 빛의 속도) = 3.00 × 10⁸ m/s
의 관계가 있기 때문에 광자 1개의 에너지를 구하기 위한 식으로 아래와 같은 두 가지의 표현이 모두 유용하다:
파장(λ)이 500nm 광자의 에너지는 위의 식을 이용하여 대략 3.97 × 10⁻¹⁹J 이 됨을 확인할 수 있다. 광자 1개의 에너지는 이처럼 매우 작은 값을 갖는데, 또 다른 에너지 단위인 eV 단위는 광자의 에너지를 표현하는데 매우 유용하다. 여기서 1eV 는 전자(electron) 1개를 1V 의 전위차로 옮기는데 필요한 일로 전자의 전하량 1.6 × 10⁻¹⁹C 에 1V 를 곱한 것이다:
1eV = (1.6 × 10⁻¹⁹C )(1V) = 1.6 × 10⁻¹⁹ J
위의 식과 같은 단위 변환을 통하여 파장(λ)이 500nm 인 광자의 에너지는 2.48eV 가 됨을 알 수 있다. 파장이 대략 400nm 에서 700nm 사이에 있는 가시광선 영역의 광자의 에너지는 대략 수 eV 라고 할 수 있다.
빛이 빛의 속도로 움직인다고 말하는데, 이는 빛의 에너지가 공간에서 진행한다는 것을 전제로 한다. 따라서 빛의 에너지 그 자체보다는 빛 에너지 밀도(단위 부피당 빛 에너지; u) 또는 빛의 에너지선속밀도(단위 시간 당 단위 면적을 지나는 빛 에너지; s)의 개념이 더 다루기에 편리하다. 에 에너지 흐름의 방향 정보를 더하면 포인팅벡터(Poynting vector), S가 되는데,
이 때, S와 u의 관계는 위의 빛 에너지(또는 전자기파 에너지)의 연속방정식을 만족한다.
전자기파의 에너지는 진동하는 전기장과 자기장의 에너지의 합으로 전기장 에너지만의 식으로도 쓸 수 있는데, 진공에서 전기장의 최대값이 E₀인 곳의 전자기파의 에너지 밀도의 시간 평균값이 (1/2)Ⲉ₀E₀²으로 주어진다. 즉 빛 에너지의 값이 크다는 것은 전기장의 진폭이 크다는 것을 의미하고, 양자역학적인 관점에서는 이 경우에 광자의 수가 많다고 얘기할 수 있다.
빛 에너지는 빛이 진행하면서 공간적으로 퍼지는 정도에 따라 그 에너지가 전달되는 정도가 많이 달라질 수 있다. 예를 들어 60W라고 쓰여 있는 백열전구에서 나오는 빛은 위협적이지 않지만, 출력이 0.5mW 이하라고 쓰여 있는 레이저포인터에서 나오는 빛이 눈에 직접 들어갈 경우 매우 위험할 수 있다. 백열전구보다 파워가 십만 배 이상 더 작은 레이저광이 더 위험할 수 있는 여러 가지 이유가 있지만 레이저광의 직진성이 일반적인 빛보다 훨씬 강하기 때문에 빛 에너지가 작은 면적을 통과하는 에너지가 훨씬 클 수 있기 때문이다. 이 경우 단위 시간 당 단위 면적을 지나는 빛 에너지, 즉 빛의 에너지선속밀도 또는 포인팅벡터의 크기의 평균값에 해당하는 복사 조도(irradiance)를 비교하는 것이 의미가 있다. 복사 조도의 SI 단위는 W/m²가 되는데, 복사 조도 값이 매우 큰 레이저광을 다루는 분야에서는 관습적으로 W/cm²와 같은 단위를 사용하는 경우도 있다.
빛 에너지는 우리의 눈에 보이는 형태라는 면에서 특이하다. 레이저 쇼에서 만들어지는 어떤 모양들을 보는 경우는 빛 에너지를 직접 보는 것은 아니지만 빛이 진행하는 경로에 있는 입자와 부딪혀서 우리의 눈으로 들어오는 것을 봄으로써 여러 가지 형상들을 보게 된다. 레이저광의 세기가 클수록 우리 눈에 더 많은 수의 광자가 들어오게 됨을 의미하므로, 간접적으로 빛의 세기 또는 빛 에너지의 크기를 가늠할 수 있다. 한편 방 안에 켠 전등의 경우는 전등으로부터 여러 방향으로 퍼진 빛이 물체를 맞고 우리 눈으로 들어옮으로써 방안 전체의 모양을 알 수 있게 한다.
위와 같은 방법으로 빛 에너지를 눈을 통해서 보는 것 이외에도 빛 에너지가 다른 형태의 에너지로 변환되는 것을 통해서 간접적으로 빛 에너지의 쓰임을 이해할 수 있다. 예를 들어, 식물에서 광합성이라는 과정을 통해 빛 에너지가 화학에너지로 변환되는데, 이산화탄소와 물로부터 합성된 포도당은 식물의 에너지원이 된다. 태양으로부터 오는 자외선은 우리 몸의 비타민 D를 형성하는 과정에서도 화학에너지로의 변환의 예를 볼 수 있다. 조리기구로 쓰이는 전자레인지(또는 마이크로웨이브 오븐)에 사용되는 극초단파의 빛은 물 분자를 진동하게 하여 음식의 온도를 올리는데 사용되므로써 열 에너지로의 변환이 되고, 원적외선(far infrared)은 유기화합물 분자에 잘 흡수되므로 우리의 몸을 따뜻하게 하는 방법으로 열 에너지로의 변환이 이뤄진다. 광전효과에서와 같이 광자의 에너지를 이용하여 물질에 있는 원자의 에너지를 높이는 방법으로 빛 에너지를 바로 전기에너지로 변환할 수 있다. 반대로 전기에너지, 화학에너지, 열에너지를 이용해서 빛 에너지, 즉 빛을 만들 수 있다.
참고자료
같이 보기