빛의 본질과 기본 성질
빛이란 전파나 X선 등과 마찬가지로 전자파의 일종으로서 파장 380~760nm의 전자파는 눈에 입사하여 밝음을 느끼게 하기 때문에 광 또는 가시광이라고 합니다. 또한 넓은 의미로 방사와 같은 의미로 사용되며 자외선, 가시광선, 적외선 방사를 포함하여 광 또는 광방사라고 부르기도 합니다. 광은 파동성과 입자성의 이중의 성질을 가지고 있으며 일상 경험한 광의 물리 현상은 파동적 성질과 입자적 성질에 의해 설명됩니다.
빛의 성질
1. 광은 균질한 매질 안에서는 직진하는 성질을 가집니다.
2. 반사, 굴절
광은 서로 다른 성질의 매질의 경계면에서는 반사 혹은 굴절합니다. 반사광과 굴절광은 입사광과 경계면의 입사점에서의 법 선으로 만드는 평면에 포함됩니다.
3. 투과, 흡수
광은 투명한 매질의 경계면에서 광의 일부가 경계면에서 반사되며 나머지 광은 매질 내부를 통과하고 다시 또 다음 경계면에서 통과한 광의 일부가 반사되고 나머지 광이 매질 밖으로 출사 됩니다.
4. 간섭, 회절
광에는 동일 주파수의 두 광파의 위상 차가 시간과 더불어 변화하지 않는 광의 두 광파가 중합된 결과 두 광파의 위상 관계로 광의 세기가 강해지거나 약해지거나 하는 형상이 있습니다. 이 현상을 광의 간섭이라고 합니다. 또한 전파할 때 작은 장해물 후방에 약간의 광이 돌아들어가는 현상이 있는데 이 현상을 광의 회절이라고 합니다.
5. 편광
광은 전자파의 일종으로서 그 진행하는 방향에 대해서 수직으로 진동하면서 진행하는데 평균적으로 볼 때 어느 방향에 대해서도 동일 세기로 진동하면서 진행하고 있는 광을 자연광이라든지, 이울지 않는 광이라고 합니다. 그런데 투명한 물체에 광이 어느 각도로 입사하면 그 반사광은 광의 진행을 포함한 1개 면의 진동밖에 하지 않게 됩니다. 이 상태를 편광이라고 합니다.
방사량
방사량이란 공간에 방사되는 광이 갖는 방사 에너지양에 대해서 공간과 시간, 파장을 고려한 물리량입니다. 방사량에는 방사 에너지, 방사속, 방사 조도, 방사 발산도, 방사 강도, 방사 휘도, 방사 밀도가 있습니다.
측광량이란 방사를 시각의 특성에 따라 평가하기 위해 방사량에 파장에 대해서 무게를 주어 만든 양입니다. 측광량에 관한 기본적인 법칙에는 조도와 광원의 광도의 관계를 주는 '역제곱의 법칙'과 조도와 광의 입사각의 관계를 주는 '입사각의 코사인 법칙'이 있습니다.
물체를 구성하는 입자의 절대온도 T [K]와 구조에 대응해서 열 에너지를 방사 에너지로 변환하여 방출되는 방사를 열방사라고 합니다. 따라서 모든 물질은 그 온도가 절대 영도가 아닌 한 열방사를 방출하고 있습니다. 열방사에 관한 법칙으로는 일반적으로 열평형에 있는 열방사의 에너지 밀도와 온도와의 관계를 나타내는 법칙이 있습니다. 공동방사에 대해서는 플랑크의 방사법칙, 그 적당한 조건에서의 근사로서 윈의 방사법칙이 있습니다.
그리고 이로부터 유도되는 윈의 변위칙과 스테판-볼츠만의 법칙이 있습니다. 그 외에 열방사를 하는 물체에는 일반적으로 키르히호프의 법칙이 성립됩니다.
모든 물질은 그 온도가 절대 영도가 아닌 한 열방사를 방출하고 있습니다. 몰질의 온도는 정밀한 온도계를 사용하면 직접 측정할 수 있지만 직접 온도를 측정하지 않고 물질로부터의 방사를 측정하여 얻어지는 온도를 등가 온도라고 합니다. 등가 온도는 비접촉의 측정을 전제로 하고 있으므로 원격, 고온 및 대면적의 측온이 가능합니다.
루미네선스
방전관 내에 봉입하는 기체의 압력이 10^5Pa 이상이면 고기압 방전, 약 10^3Pa 이하의 압력이면 저기압 방전이라고 합니다. 비교적 안정된 전류 영역의 발광을 글로 방전이라고 하며, 조명용 광원 및 플라스마 디스플에이 패널은 이 발광 상태를 이용합니다. 가열된 필라멘트에서 방사된 열전자를 전계에 의해 가속하여 유리관이나 알루미나관에 봉입된 원자 또는 분자의 증기를 여기하여 여기 상태에서 보다 낮은 상태로 돌아갈 때 그 에너지 차에 대응한 발광 파장의 전자파를 방출합니다. 이것을 방전 발광이라고 합니다. 저압 방전 램프에는 저압 나트륨램프나 형광 램프등이 있으며, 고압 방전 램프에는 고압 수은 램프, 초고압 수은 램프, 고압 나트륨램프, 메탈 핼라이드 램프 등이 있습니다. 이것들은 고휘도 방전 램프이며 HID램프라고 불립니다.
1. 방사 루미네선스
에너지가 큰 광자에 의해 결정의 전자를 여기하여 전자와 정공을 생성하고 재결합 과정에서 에너지가 작은 광자를 방사하는 발광 현상을 방사 루미네선스라고 합니다. 자외선에 의해 여기 된 형광체의 발광, 루비 레이저의 발광 등도 방사 루미네선스입니다.
2. 음극 루미네선스
진공 중에서 전계에 의해 가속된 전자 빔을 고체나 발광체에 조사하여 루미네선스를 야기시킬 수 있습니다. 이것을 음극 루미네선스라고 합니다. 이 명칭은 음극에서 나오는 전자 빔이 음극선이라고 불리고 있기 때문입니다. 브라운관은 이 원리를 이용한 것이며, 저속 전자선으로 형광체를 여기 시켜 발광하는 형광표시판이 있습니다.
3. 일렉트로 루미네선스
ZnS계의 형광체에 강한 전계를 가했을 때 발광이 얻어지는 것이 1936년 데트리오에 의해 발견되었습니다. 이 현상을 일렉트로 루미네선스라고 하며 EL이라고 불리고 있습니다. 반도체의 EL에는 이 전압 여기형의 EL패널과 pn접합에 전압을 인가하여 순방향 전류를 흘리는 주입형의 발광 다이오드(light emitting diode : LED)가 있습니다.
4. 화학 루미네선스
화학반응에 의해 여기 상태를 형성하여 발광시키는 것을 화학 루미네선스라고 합니다. 화학반응에 의해 분자가 여기 상태가 되고 그곳으로부터 기저 상태로 복귀하는 과정에서 광이 방출됩니다. 대표적인 화학 루미네선스는 루미놀계와 지오키세탄계의 두 종류가 있습니다.