빛의 굴절과 스넬 법칙: 굴절률·입사각·굴절각

각도는 경계면이 아니라 법선에서 잽니다

법선은 빛이 들어오는 지점에서 경계면에 수직인 선입니다. 입사각 θ₁과 굴절각 θ₂는 각각 법선과 빛 사이의 각도입니다. 경계면과의 각도를 그대로 공식에 넣으면 다른 답이 나옵니다.

굴절률 n = c/v가 큰 매질에서는 빛의 위상 속력이 더 작습니다. 보통의 투명한 매질에서 낮은 굴절률에서 높은 굴절률로 들어가면 법선 쪽으로 꺾이고, 반대면 법선에서 멀어집니다. 수직 입사에서는 속력이 달라져도 진행 방향은 꺾이지 않습니다.

두 매질의 경계에서는 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂가 성립합니다. 먼저 어느 쪽이 입사 매질인지 정하고 굴절각의 사인값을 구합니다. 같은 입사각이어도 두 굴절률의 비가 다르면 굴절각이 달라집니다.

n₁ > n₂인 방향에서 입사각을 크게 하면 계산한 sinθ₂가 1을 넘을 수 있습니다. 이는 실제 굴절각이 90°보다 커진다는 뜻이 아니라 진행하는 굴절광이 없는 전반사 조건입니다. 전반사는 별도의 임계각 조건으로 판단합니다.

시간에 따라 변하지 않는 매질 경계에서 빛의 진동수는 유지됩니다. 속력이 바뀌므로 v = fλ에 따라 파장이 달라집니다. 진공 파장이 λ₀이면 매질 안 파장은 λ₀/n입니다. 굴절률이 큰 쪽에서 파장이 짧아집니다.

이상적인 광선 모형은 빛을 가느다란 선으로 표현하고 경계에서의 방향을 계산합니다. 실제 경계에는 반사광도 생길 수 있고 굴절률은 파장에 따라 달라질 수 있습니다. 실험의 단일 광선만으로 모든 색의 분산과 파동 효과를 설명하지는 않습니다.

n = c/v · n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂ · λ매질 = λ₀/n

sinθ₂ = (1/1.5)sin30° = 1/3이므로 θ₂ ≈ 19.5°입니다. 법선에 더 가까워집니다. 반대로 유리에서 공기로 진행할 때는 먼저 전반사 가능성을 확인해야 합니다.

굴절률의 순서를 바꾸어 같은 입사각에서 법선 쪽과 바깥쪽으로 꺾이는 경우를 비교하세요.

렌즈를 통과한 광선의 방향 변화가 상을 만드는 과정을 관찰하세요.