폴라로이드 사진기의 셔터를 누르면 사진기의 조리개가 열리면서 지름이 1cm정도의 작은 렌즈를 통과한 빛이 폴라로이드 필름에 닿아서 즉석에서 사진이 찍히게 된다.
폴라로이드 사진기는 물론이고
아날로그 카메라, 디지털 카메라를 이용하여 사진을 찍으려고 할 때,
만약 어두운 밤에 모든 커텐을 닫고 한 줄기 가시광선도 없는 방안에서 카메라의 조리개를 계속 열어 놓고 있으면, 과연 사진이 찍힐까?
캄캄한 어둠 속에서 렌즈를 통과하여 들어가는 가시광선은 없지만,
인터넷 와이파이 / 휴대폰 / DMB / TV / 라디오 전자기파 등이 끊임없이 렌즈를 통과해서 필름 또는 CCD에 닿고 있을 것이다.
그럼에도 불구하고 필름에 감광현상이 일어나지 않는 이유는 무엇인가?
그럼에도 불구하고 CCD에 광전효과가 일어나지 않는 이유는 무엇인가?
빛이 파동이라면 에너지가 아무리 작은 라디오 전자기파 같은 빛이라도 필름에 오랫동안 닿으면 에너지가 축적되어 필름에 감광현상이 일어나야 하지만 그런 자연현상은 일어나지 않는다. 이러한 현상은 빛의 파동성으로는 설명이 불가능하다.
디지털 카메라도 마찬가지로 캄캄한 어둠속에서 사진을 찍으면(가시광선, 적외선이 없는 곳) 사진이 찍히지 않는다.
디지털 카메라로 캄캄한 어둠속에서 사진을 찍으면 와이파이 전자기파, 라디오 전자기파 등이 디지털 카메라의 CCD에 닿고 있음에도 불구하고 사진이 찍히지 않는 이유는 CCD에 광전효과가 일어나게 하려면 특정 에너지 이상의 빛이 CCD에 닿아야 가능하기 때문이다.
이것은 빛의 입자성으로만 설명이 가능하다.
렌즈를 통과한 빛이 굴절 및 회절하는 현상은 빛의 파동성으로 설명이 가능하고,
필름이나 CCD를 반응시키는 빛은 특정 에너지 이상의 빛만이 가능하다는 것은 빛의 입자성으로 설명이 가능하다.
따라서, 사진 한장에는 두 가지 사건이 존재하고, 이 사진 한장으로 빛의 이중성이 설명 가능하다.
1)렌즈를 통과한 빛이 굴절 및 회절하는 사건--빛의 파동성
2)필름이나 CCD에서 특정 에너지 이상의 빛만이 반응 가능--빛의 입자성
이 두가지 사건으로 사진이 찍히게 되고,
이 사진 한장으로 빛의 이중성을 깔끔하게 설명이 가능하다.
우리가 늘 찍는 사진 한장으로 빛의 이중성을 아주 간단하게 설명할 수 있다는 사실이 그저 놀라울 뿐이다.
그리고 마지막으로
빛의 입자설과 파동설에 대한 과학의 역사를 잠시만 살펴보면,
1600년대 뉴턴의 빛의 입자설과 하휘헌스의 빛의 파동설이 서로 대립하였고,
200여 년간 빛이 입자인지 파동인지에 대한 논쟁이 계속 되었으며
1800년대에 영의 이중슬릿 실험과 1887년에 헤르츠가 전자기파를 검출함으로써
빛의 파동설이 인정 받았다.
대기중 물방울에 의한 무지개는 빛의 굴절과 반사에 의한 현상으로 빛의 파동성을 보여준다.
그러나,1887년 헤르츠는 전자기파를 검출하는 실험을 하는 도중 (-)로 대전된 금속구에 자외선을 비추면 방전이 더 잘 일어난다는 것을 발견하였고, 1905년에 아인슈타인이 광전효과 원리를 알아내고, 이 광전효과에 기여한 공로로 1921년 아인슈타인은 노벨 물리학상을 받게 된다.
광전효과 이용,태양광 발전: 빛의 입자성
따라서 빛은 파동성과 입자성을 둘 다 가지고 있으며 이를 빛의 이중성이라고 한다.
그리고,
한가지 실험에서는 빛의 한가지 성질만 나타난다는 것은 주의해야 한다.
단일, 이중 슬릿 실험에서는 파동성만 나타나고, 필름 감광이나 CCD 광전효과에서는 빛의 입자성만 나타난다.
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