두 조건을 순서대로 확인합니다
첫 번째 조건은 n₁ > n₂입니다. 유리에서 공기로 나오는 빛은 가능하지만 공기에서 유리로 들어가는 빛에는 이 전반사 조건이 없습니다. 두 번째 조건은 법선 기준 입사각이 임계각보다 크다는 것입니다.
스넬 법칙에서 굴절각이 90°가 되는 경계를 임계각으로 정하면 sinθc = n₂/n₁입니다. 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 이 비는 작아지고 임계각도 작아집니다. 입사각이 크다는 사실만으로 전반사를 판단하면 안 됩니다.
임계각 바로 전·경계·이후는 다릅니다
임계각보다 작은 입사각에서는 굴절광이 낮은 굴절률의 매질 안으로 진행할 수 있습니다. 임계각에서는 이상적인 광선의 굴절 방향이 경계면을 따릅니다. 이를 넘으면 스넬 법칙에서 실수인 진행 굴절각을 찾을 수 없습니다.
파동으로 보면 전반사 때에도 낮은 굴절률 쪽 경계 부근에 지수적으로 약해지는 소멸장이 존재할 수 있습니다. 따라서 다른 쪽에 전자기장이 전혀 없다는 설명은 정확하지 않습니다. 이 페이지와 실험의 광선 모형은 멀리 진행하는 굴절광의 유무를 다룹니다.
광섬유에서는 어떻게 이용할까요?
광섬유는 중심 코어의 굴절률을 둘러싼 클래딩보다 높게 만들어 빛을 가둘 수 있습니다. 적절한 방향으로 들어온 빛은 코어 경계에서 전반사 조건을 만족하며 진행합니다. 단순 광선 그림에서는 여러 번 반사되는 경로로 설명할 수 있습니다.
모든 입사 방향의 빛이 자동으로 갇히는 것은 아닙니다. 입구의 각도, 코어와 클래딩의 굴절률, 굽힘 정도가 전달에 영향을 줍니다. 아주 가는 섬유의 실제 모드와 손실은 단일 경계 광선 모형보다 더 자세한 파동 해석이 필요합니다.
핵심 관계와 기호
sinθc = n₂/n₁ (n₁ > n₂) · θ입사 > θc일 때 전반사
| 기호 | 뜻 | 단위 |
|---|---|---|
| n₁ | 입사 매질의 굴절률 | 단위 없음 |
| n₂ | 반대편 매질의 굴절률 | 단위 없음 |
| θc | 법선 기준 임계각 | ° 또는 rad |
예시로 확인하기
굴절률 1.5인 유리에서 공기로 나갈 때 임계각은?
θc = arcsin(1/1.5) ≈ 41.8°입니다. 30°에서는 굴절광이 있고 50°에서는 전반사합니다. 입사 매질을 공기로 뒤집으면 같은 50°에서도 이 전반사 조건은 성립하지 않습니다.
자주 헷갈리는 점
- 공기에서 유리로 들어갈 때 각도를 크게 한다고 같은 방식의 전반사가 생기지는 않습니다.
- 임계각은 반사각이 아니라 굴절각이 90°가 되는 입사각입니다.