빛의 파동성

복사에서 전기장과 자기장은 수용장에서 발차기로 일으키는 물의 파동과 유사하다. 전기장과 자기장의 경우에 교란은 빠르게 진원지로부터 밖으로 나아가고 교란 에너지를 이용하여 다른 것들을 교란시키면서 더 멀리 나아간다. 전자기파의 경우에는 라디오 방송국에서 하전 입자로 가득찬 송신 안테나에서 발생한 복사가 얼마 후에 개인의 라디오 안테나에 있는 전자들을 교란시켜서 가정이나 자동차의 라디오에 뉴스와 날씨를 전달해 주는 것이다. 

 

빛의 파동성을 묘사해 주는 사진

 

하전된 입자에 의해 발생하는 파동은 근본적으로 물의 파동과는 다르다. 물의 파동은 매질로서 물이 필요하다. 음파가 압력의 교란으로 공기를 통해 전파되는 것처럼 물결파나 음파는 매질이 필요하다. 그러나 전자기파는 그 어떤 매질도 필요하지 않다. 장은 다른 장을 발생시키면서 진공 속에서도 이동할 수 있다. 그래서 진공 상태인 우주에서도 이동될 수 있는 것이다. 19세기의 과학자들은 매질이 필요하다고 생각했기 때문에 모든 공간을 꽉 채우는 매질을 만들었다. 그것에 관한 아무런 증거도 없었지만 그것을 통해 광파를 통과시켰다. 이것을 에테르라고 불렀다. 훗날 에테르라는 매질이 필요하지 않다는 사실을 알게 되었고 오늘날에는 전자기파가 우주 공간을 지나는데 아무런 문제가 없다는 것을 안다.

 

또 다른 차이는 모든 전자기파는 같은 속도로 움직인다는 것이다. 즉, 전자기파는 빛의 속도로 움직인다. 광속은 우주에서 가장 빠른 속도로 밝혀졌다. 전자기파가 어디서 발생하든 또는 어떤 성질을 가지든 그것이 움직일 때에는 다른 물체와 상호작용을 하지 않는다면 빛의 속도로 나아간다. 그러나 우리는 일상생활에서 만나는 빛과 같은 파동이 모두 같은 것이 아니라는 사실을 알고 있다. 빛의 파는 우리가 색이라고 부르는 성질에 있어서 서로 다르다. 그렇다면 전체의 전자기파 중에서 파와 파 사이에 차이는 어떻게 나타낼 수 있는 걸까?

 

파동의 성질 중 대표적인 것은 반복 현상이다. 물의 파동에서 일어나는 상하 운동이든 광파에서 일어나는 전기장과 자기장의 변화이든 간에 교란의 형태는 주기적으로 반복된다. 따라서 어떤 파동의 운동은 일정한 마루와 골을 그리는 운동으로 볼 수 있다. 가장 높은 마루로 올라갔다가 다시 가장 낮은 골로 내려오는 것을 한 번의 주기로 볼 때, 이 주기 동안 이동한 수평의 길이를 파장이라고 한다. 

 

전자기 복사의 다양한 형태가 바로 파장에 따라 차이가 나는 것이다. 파장이 수 km나 되는 긴 파를 전파라고 부르고, 이보다 짧은 파장의 전자기 복사를 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 그리고 감마선이라고 부른다. 모든 복사는 에너지라는 공통점을 지니지만 종류가 다른 빛이다. 이러한 파들은 파동의 개수인 주파수로 그 특성을 찾아볼 수 있다. 예를 들어, 1초 동안 지나간 파동의 마루가 10개이면 주파수는 1초당 10회 진동이다. 전파를 발견한 물리학자 헤르츠의 이름을 딴 헤르츠가 바로 주파수를 의미하는 것이다. 파장의 길이와 주파수는 서로 연관이 있는데, 이는 모든 전자기파가 같은 속도로 진행하기 때문이다.