[광학] 반사의 법칙과 스넬의 법칙 (Snell's Law)

빛이 투명판에 쏘여지면 입사광선과 투명판의 법선벡터 사이의 각도에 따라 입사각,반사각이 결정됩니다. 

이 때 입사각과 반사각의 크기는 항상 동일합니다. 이를 반사의 법칙이라고 합니다. 어려운 내용은 아닙니다.

 

가끔 헷갈려하시는 것은 입사각은 입사광선과 표면판사이의 각인가? 라고 하시는게 전부입니다.

입사각은 표면판의 '법선벡터'와 입사광선이 이루는 각도입니다! 

 

다음은 굴절의 법칙을 봅시다.

스넬의 법칙이라고도 불리는데 이거는 반사되지 않고 경계면을 통과하는 입사광선에 대한 내용입니다. 

물론 이 때 반사가 안되는건 아닙니다. 입사광선, 반사광선, 굴절광선 이렇게 생겨요. 이때도 반사의 법칙은 적용됩니다. 

굴절의 법칙(스넬의 법칙)에서는 이제 굴절률의 개념을 알아야 합니다. 

 

약간 감으로 생각해봅시다. 공기 중에 있던 빛이 물에 들어가면 굴절이 되잖아요? 그 때의 빛의 속력은 어떻게 달라질까요?  1) 공기 중에 있던 빛이 물에 있는 빛보다 빠르다.  2) 아니다. 물에 있는 빛이 더 빠르다.

 

답은 1번입니다. 이 이유를 알려주는게 스넬의 법칙입니다. 일단 위 그림을 보세요. 딱 봐도 입사각과 굴절각이 같지 않음을 알 수 있습니다. 입사각이 굴절각보다 크다? 이 뜻은  입사광선이 있는 매질의 굴절률이  굴절광선에 있는 매질의 굴절률보다 낮음을 의미합니다. 

 

실제로, 공기 중의 굴절률은 1입니다. 정확히 따지자면 진공상태일 때 완벽한 굴절률 n=1값을 가진다하지만 보통 공기 중에서도 1이라고 정의하는 편입니다. 

 

그리고 물의 굴절률은 1.33입니다. 따라서, 굴절률이 크다는 것은? 굴절각이 작다! 라고 말할 수 있겠습니다.

굴절각이 작아졌다는 것은?  '속도의 감소'가 일어났다라고 말할 수 있습니다.  근데 우리가 알다시피 빛의 속도 공식은

이렇게 표현이 가능합니다. c=λf  (f는 진동수)   파장은 거리개념이고 진동수의 역수는 주기이므로  파장을 주기로 나누면 속도개념인 광속이 나옵니다. 만약 빛의 속도가 감소했다는 것은?  파장이 줄어들었다고 말할 수 있습니다.

단, 진동수는 항상 고정입니다

 

정리를 한번할까요?

여백의 미	공기	물
굴절률 n	1.00	1.33
속도 비교	더 빠르다.	더 느리다.
굴절각 Θ	더 크다.	더 느리다.
파장	더 길다.	더 짧다.
진동수	일정	일정

제가 임의의 예시로 공기와 물로 들긴 했지만  이것뿐만 아니라 다른것에도 적용된다는 것만 기억하시길!

그러면 우리는 이러한 비례식을 세울 수 있습니다.

스넬의 법칙

이게 스넬의 법칙입니다. 보통 앞에 세타랑 굴절률에 대한 식으로만 나타내긴하는데요. 여러분들은 파장, 속도까지도 봐두시길 바랍니다.