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빛(Light), 전기(electrocity), 자기(magnetism)가 전자기파라 불리는 것은 명백하다. 지금 보고 있는 이
화면에 나오는 빛은 변동하는 전자기 에너지 장으로부터 만들어 진다. 전자기장은 서로 직각으로 진동하고 이 결합된 파동은 진동방향의 수직방향으로
움직인다. 이것은 또한 눈으로 감지되지 않는 적외선(infrared;IR), X선(X-rays), 자외선(Ultraviolet;UV),
감마선(gamma-rays)의 많은 형태로 움직인다.
우리는 열의 형태로 적외선을 느낄 수 있고 우리가 가지고 있는 라디오는
전파소에서 낸 전파를 해석한 신호를 잡아낸다. 자외선(UV)는 피부세포로 손상시킬 만한 충분한 에너지를 가진다. 그래서 우리의 몸은 자외선으로
더 깊은 피부의 노출을 방지하기위해 피부안에 어두운 색소를 생산해 낸다. 검은빛(black lights)이라 불리우는 특별한 장치는 많은
자외선을 방출하여 박테리아(bacteria), 아메바(amoebas), 그리고 작은 조직들을 죽이기위해 병원에서 많이 쓰인다.
X선(X-rays)은 아주 뜨거운 것에서 만들어진다. 그래서 X선은 자외선보다 더욱 큰 에너지를 가져서 피부, 근육, 인체기관을 통과할 수
있다. X선은 뼈는 통과하지 못해서 의사가 X선을 찍어 나온 사진은 몸을 통과한 X선의 그림자가 된다. 큰 에너지의 X선은 세포를 죽일 수
있지만 적고 짧으며 약한 강도의 X선은 괜찮다. X선을 자주 다루는 기술자들은 X선에 많이 노출되기 때문에 X선을 방어할 수 있는 옷을 입지
않으면 세포가 죽거나 손상을 당할 수 있다. 감마선(gamma rays)은 전자기파에서 가장 큰 에너지를 가진다. 이것은 핵반응(nuclear
reactions)에 의해 만들어진다.
눈으로 볼 수 있는 전자기파를 가시광선(visivle or optical)이라 불리운다. 천문학자들은 단지 최근(지난
몇십년안에)에 가시광선이 아닌 다른 형태의 전자기파(빛)를 사용할 수 있게 되었다. 과학기술은 이 또다른 형태의 빛을 감지할 수 있도록
발전했고, 그리하여 우주를 이해하기 위한 하나의 혁명이 일어난 것이다. 위의 그림은 파장이 증가하고 에너지가 감소하는 전자기파의 모든 영역을
보여준다. 가시광선 영역이 협소한 것에 주목하기 바란다. 이처럼 우리가 볼 수 있는 가시광선 영역은 모든 전자기파 영역에서 아주 협소하기 때문에
그것은 우주를 가시광선 영역으로만 볼 때 코끼리의 꼬리만 보고 이것을 코끼리라고 우기는 것과 같은 것이 된다.
전자기파의 몇몇
일반적인 성질에 대해 설명하도록 하겠다.
- 전자기파는 진공(empty space)에서 움직인다. 다른 형태의 파동은 운동하기 위해 매질(medium)이 필요하다. 수면파(water
waves)는 물이 필요하고 소리는 듣기위해 몇몇 기체, 액체, 고체가 필요하다.
- 빛의 속도는 상수값을 갖는다. 모든 영역의 빛은 299,800 km/s의 같은 속력을 가지며 이 속력을 줄여서 c라고 표시하기도 한다.
다시말해 가장 높은 에너지로부터 가장 낮은 에너지의 빛인 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파들 모두 같은 속력 c를 같는다.
- 빛의 파장은 수면파와 유사하게 마루(crests)사이 또는 골(troughts)사이의 거리로 정의된다. 가시광선은 때때로 nanometer (1 nanometer(nm) = 10-9 meter = 10 Ångstrom)로 측정된다. 그러므로 가시광선의 파장 영역은 400 - 800 nanometers를 가진다. 전파는 종종 센티미터(centimeter;cm, 1cm = 10-2meter = 0.01 meter)로 측정된다. 파장은 줄여서 λ로 표현한다.
흰 빛은 다른 색(다른 파장의 가시광선)의 빛으로 만들어진다. 흰 빛을 프리즘이나 회절상을 통과시켰을때 다른 색들의 빛으로
퍼진다. 이때 무지개와 같은 현상을 볼 수 있다. 모든 파장의 빛이 스펙트럼이 만들어 지는 것은 아니다 단지 긴파장의 자외선(long-wave
UV), 가시광선, 적외선(IR), 전파 일부분만이 스펙트럼이 만들어 진다. 적외선(IR)은 9000피트(2765 미터)이상의 고도에서 많이
도달한다. 그것은 천문대가 매우 높은 산꼭대기에서 설치되는 이유중 하나이다. 다행이도 지구 대기는 감마선, X선, 대부분의 자외선을 차단하여
우리를 보호한다. 대기는 또한 지구에서 발생되는 대부분의 적외선과 전파를 가로막는다. 그래서 이런 우주로부터 오는 감마선, X선, 자외선과 같은
형태의 빛들을 대기가 차단하기 때문에 천문학자들은 이런 형태의 에너지를 위성관측기기가 쏘아올려질때까지 관측할 수 없었다.
빛의
형태를 기술하는 파장 말고도 주파수(frequency)를 사용할 수 있다. 주파수는 매 1초에 통과하는 파장의 골(또는 마루)의 수로 표현한다.
진동수의 단위는 헤르츠(hertz;Hz)이며 1Hz는 1초에 파동의 골이 기준선에 한번지나간 것(1 wave crest/second)과 같다.
여기서 빛의 속도(c), 파장(rambda), 진동수(f)사이에 관계는 다음과 같다.
파장 λ는 분모에 있으므로 주파수(f)는 파장 λ와 반비례한다. 이것은 짧은 파장의 빛은 높은 주파수를 가진다는 것을 의미하며, 반대로 긴파장의 빛은 낮은 주파수의 빛을 의미한다.
위 그림은 같은 속도로 움직이고 다른 파장을 가진 파동(빛)을 보여준다. 아래 파동의 파장은 위의 파장의 3배이다. 카운터는
파동의 마루가 얼마나 많이 실선을 통과하는지 세는 것이다. 위의 파동의 마루는 1초안에 3번 통과하며 그래서 주파수는 3Hz이다. 아래 파동은
1초에 1번 통과하므로 주파수는 1Hz이다.
색에 따른 빛의 파장, 주파수, 에너지 영역이 아래의 표에 주어져 있다. 에너지
단위는 줄(Joule;J)이다. 1J는 1kg의 무게를 가지는 물체(예를 들어 1리터의 물)를 1m 들어올릴때의 에너지를 말한다. 때때로
빛에너지를 에르그(ergs)의 단위로 측정된다. 여기서 1erg = 10-7J이다.
| 색깔 | λ(Å) | f(*1014Hz) | 에너지(*10-19J) |
| 보라색(violet) | 4000 - 4600 | 7.5 - 6.5 | 5.0 - 4.3 |
| 남색(indigo) | 4600 - 4750 | 6.5 - 6.3 | 4.3 - 4.2 |
| 파랑색(blue) | 4750 - 4900 | 6.3 - 6.1 | 4.2 - 4.1 |
| 녹색(green) | 4900 - 5650 | 6.1 - 5.3 | 4.1 - 3.5 |
| 노란색(yellow) | 5650 - 5750 | 5.3 - 5.2 | 3.5 - 3.45 |
| 주황색(orange) | 5750 - 6000 | 5.2 - 5.0 | 3.45 - 3.3 |
| 빨강색(red) | 6000 - 8000 | 5.0 - 3.7 | 3.3 - 2.5 |
파란색의 빛은 짧은 파장(λ)와 높은 주파수(f)를 가지고 높은 에너지를 가지며, 빨강색의 빛은 긴 파장과 낮은 주파수, 그리고
낮은 에너지를 가진다.
20세기초에 막스 플랑크(Max Plank; lived 1858 - 1947)는
광자(photons)라 불리우는 에너지 묶음(packetd of energy)으로서의 빛을 생각할 때 연속스펙트럼들의 형태를
정확하게 설명할 수 있다는 것을 발견했다. 여기서 광자는 전자기파의 입자이다. 이 기묘한 생각은 빛이 파동인 동시에 입자라는 사실을 말해 주고
있다. 
빛이 파동 같처럼 행동하는지 입자처럼 행동하는지는 빛을 어떻게 관측하느냐에 따라 다르다. 즉, 이것은
실험장치에 따라 다르게 나타날 수 있다. 플랑크의 발견 후, 몇 년후에 알버트 아인슈타인(Albert Einstein; lived
1879 - 1955)은 빛의 파장(광자)과 주파수의 에너지 사이에 관계를 매우 간단하게 표현했다.
빛의 에너지 = (h * c) / λ
여기서 h는 플랑크 상수(=6.63 * 10-34J sec)이다.
빛은 동시에 입자와 파동으로 행동할 수 있다. 이와 같은 행동의 한 예로 디지털 카메라가 있다. 그 원리를 살펴보면 빛이 렌즈로
들어오면 렌즈는 전하결합소자(charge-coupled device;CCD)에 부딧힌 빛의 파동을 굴절시킨다(파동성). 광자(photons)는
CCD안에 있는 전자를 실리콘 밖으로 쳐낸다(입자성). 그리하여 이미지를 만들어내기 위해 실리콘으로부터 해방된 전자의 숫자와 위치를 해석하는
것이 디지털 카메라의 원리인 것이다.
또 따른 예로 좁고 가느다란 실구멍을 통과하는 빛이 회절되어 번갈아가며 형성된 빛의 어두운 무늬와
밝은 무늬를 관측할 수 있다(파동성). 또 이때 회절무늬가 축척되는 광자들로부터 만들어질때 한 밝은 점(광자)들을 계속해서 볼 수
있다(입자성). 이 현상은 너무 빨라 사람의 눈으로 감지할 수 없다.
빛의 정보를 해석해내기 위해 빛을 프리즘을 통과시킨다든다 회절을 시켜 스펙트럼(spectrum)을 만들어낸다. 이
스펙트럼은 다른 파장(또는 주파수)을 가진 빛의 강도(intensity)를 보여준다. 만약 흰 빛을 시험할 때 스펙트럼은 무지개같을
것이다.
빛의 강도(intensity)라는 용어는 특별히 감지기에 도달한 광자 또는 빛의 파동의 숫자를 뜻한다. 밝은 물체는 강도가 세지만 필연적으로 에너지가 많은 것은 아니다. 광자의 에너지는 빛의 강도가 아닌 단지 파동의 파장 또는 진동수에 의존하다. 그러니까 X선의 광자들은 적외선의 광자보다 더 많은 에너지를 가진다.
어떤 물체에서 발생된 빛의 형태는 온도(temperature)에 의존한다. 온도가 무엇인지 설명하기 위해 주제에서 좀
벗어나기로 한다. 온도(temperature; T)란 입자 덩어리들이 가지는 에너지(energy; random motion) 양이다. 그러니까
높은 온도는 더 큰 에너지를 말하는 것이다. 자연에서 바라볼때 물체가 움직이지 않는, 즉 에너지를 가지지 않은 온도를 가지는데 이때의 온도를
0도(절대온도 0도)로 하는 온도의 척도를 켈빈(Kelvin)척도라 불리운다. 이것은 정확하게 우리가 평상시에 온도를 재는 척도인
셀시우스계(Celsius system)와 같은 척도를 가진다. 그러나 이것은 273도를 빼야 켈빈온도와 같다. 밑에 표는 켈빈(K),
셀시우스(C)와 화씨(Fahrenheit;F)온도의 척도를 비교한다.
| K | C | F | 기준 |
| 0 | -273 | -459 | 절대온도 0 |
| 100 | -173 | -279.4 | . |
| 273 | 0 | 32 | 물의 어는점 |
| 310 | 37 | 98.6 | 사람의 인체온도 |
| 373 | 100 | 212 | 물의 끓는점 |
| 5840 | 5567 | 10053 | 태양의 표면온도 |
천문용어 : Vocabulary
| 전자기파(electromagnetic radiation) | 주파수(frequency) | 헤르츠(hertz) |
| 빛의 강도(intensity) | 켈빈(Kelvin) | 광자(photon) |
| 분광학(spectroscopy) | 스펙트럼(spectrum) | 온도(temperature) |
| 파장(wavelength) |
공식 : Formulae
- 주파수와 파장과의 관계 : f = c / λ
- 한 광자의 에너지 : E = h * f , 여기서 h는 자연상수이다.
- 한 광자의 에너지 : E = (h * c) / λ
- 빛은 왜 천문학에서 매우 중요한가? 빛으로부터 얻을 수 있는 정보는 무엇이 있는가?
- 왜 빛은 전자기파(electromagnetic radiation)이라고 부르는가? 전파(radio)는 빛인가?
- 다음 주어지는 빛의 형태를 주파수가 증가하는 것 순으로 그리고 파장이 증가하는 순으로 나열하여라.
자외선, 적외선, 감마선, 가시광선, 전파, X선 - 빛의 모든 형태는 진공에서 같은 속도로 움직이는가? 빛이 진공에서 움직일수 있는 것이 왜 중요한가?
- 지구의 표면에서(높은 산을 포함하여) 어떤 형태의 빛을 관측할 수 있는가? 어떤 형태의 빛을 높은 고도에서 관측할 수 있는가? 우주에서만 관측할 수 있는 빛의 형태는 무엇인가?
- 전자기파(빛)은 입자인가 파동인가? 만약 빛을 파동 또는 입자로 볼 수 있다면 무엇으로 결정할 것인가?
- 다음중 스펙트럼은 무엇인가?
빛의 파장과 강도의 도면, 빛의 밝기와 강도의 도면, 빛의 파장과 주파수의 도면, 무지개, 가속도와 시간의 도면, 에너지와 주파수의 도면 - 빛의 강도(intensity)와 에너지(energy)의 차이점은 무엇인가 만약 CCD에서 실리콘으로부터 전파를 분리시키기위해 필요한 에너지가 4.2 * 10-19J이라면 밝은 노란색 빛과 어두운 자외선 중 어느것이 더 많은 전자를 분리시킬수 있겠는가?
- 왜 켈빈척도(Kelvin Scale)은 셀시우스(Celsius)또는 화씨(Fahrenheit)척도보다 더 선호되어지는가?
- 위의 세 온도척도 중 절대온도 0도(absolute 0)는 어느 것인가? 세 온도척도에서 태양의 표면온도는 어느것인가?