무지개가 생기는 원리와 빛의 굴절

비가 거세게 내리다가 그치고 맑은 하늘이 드러날 때 혹은 시원하게 쏟아지는 폭포수 근처에 서있을 떄 우리는 아름다운 일곱 빛깔 아치형 다리를 만나게 됩니다. 바로 무지개 레인보우 인데요.

과거 동화나 신화 속에서 무지개는 요정들의 다리나 희망을 가져다주는 희망의 상징으로 여겨졌습니다. 하지만 과학적인 시점으로 바라본다면 무지개는 태양 빛과 대기 중의 작은 물방울들이 만나 만들어내는 거대하고 정교한 광학쇼입니다. 투명하게만 보이는 햇빛이 어떻게 화려한 일곱 가지 색으로 변하여 우리 눈에 보이는 것일까요? 오늘은 무지개가 생기는 원리와 빛의 굴절과 분산이라는 과학적 원리를 알려드리도록 하겠습니다.

물방울 속 3단계 현상 굴절, 반사, 분산

태양빛이 공기를 가르며 날아오다 공기 중에 떠 있는 작은 물방울과 충돌하면 물방울 내부에서는 눈 깜짝할 사이에 3가지 물리적 변화가 일어납니다.

1단계: 물방울로 들어가며 꺾이는 굴절

빛은 공기 중을 이동할 때보다 물속을 통과할 때 속도가 느려집니다. 이렇게 물질이 달라지면서 빛의 속도 차이가 발생할 때 빛의 직진 경로가 꺾이는 현상을 굴절이라고 합니다. 백색광은 물방울 표면을 뚤고 들어가며 첫번째로 꺾이게 됩니다.

2단계: 색깔별로 각도가 다르게 꺾이는 분산

여기서 가장 중요한 핵심 원리가 등장합니다. 빛의 색깔마다 고유한 파장의 길이가 다릅니다. 빨간색은 파장이 가장 길고, 보라색으로 갈수록 파장이 짧아집니다. 이를 자동차에 비유해 설명해 드릴게요.

• 빨간색 빛 (커다란 트럭): 차체가 무겁고 길며 코너를 돌 때 각도를 조금만 꺾어 완만하게 크게 돕니다. (굴절 각도가 작음)
• 보라색 빛 (날렵한 스포츠카): 차체가 짧고 가벼워 코너를 급격하게 꺾어서 돌 수 있습니다. (굴절 각도가 큼)

이렇게 파장에 따라 꺾이는 각도가 달라서 하나로 뭉쳐있던 백색광이 물방울 안에서 꺾일 때 발주노초파남보의 부채꼭 모양으로 넓게 퍼지면서 나뉘게 됩니다. 이를 과학계에서는 빛의 분산이라고 부릅니다.

3단계: 튕겨나오고 다시 꺾이는 반사와 2차 굴절

분산된 일곱 빛깔의 빛은 물방울의 뒷면 안쪽 벽에 부딪혀 거울처럼 튕겨 나오게 되는데요. 이를 내부 전반사라고 합니다. 튕겨 나오는 빛이 물방울을 빠져나와서 다시 공기 중으로 나올 때 또 한번 꺽이는 2차 굴절이 일어나고 우리 눈에 도달하여 선명한 무지개로 보이게 됩니다.

무지개에 숨겨진 과학 상식

무지개의 생성 원리를 이해하셨다면 이제 우리가 평소에 무심코 지나쳤던 무지개의 재미있는 특징을 이해할 수 있습니다.

무지개는 왜 항상 아치형 모양일까?

사실 무지개의 진짜 모양은 반원이 아니라 완벽한 동그라미입니다. 빛이 물방울 안에서 굴절되어 우리 눈으로 들어올 때 특정 각도(42도)에서만 무지개색이 가장 선명하게 보이는데요. 관찰자의 눈을 중심으로 42도 각도를 쭉 이어 그리면 원 모양이 됩니다. 하지만 지상에 서 있는 우리의 시야에서 아래쪽은 지평선이 가리고 있어서 원의 윗부분이 반원인 아치형만 보이는 것입니다. 그런데 비행기를 타고 하늘 높이 올라가서 무지개를 내려본다면 동그란 훌라후프 모양의 무지개를 볼 수 있을 겁니다.

가끔 두개가 뜨는 쌍무지개의 비밀

아주 드물게 무지개 위에 하나의 무지개가 더 있는 쌍무지개를 볼 때가 있습니다. 일반적인 무지개는 물방울 안에서 빛이 한 번 반사되어 만들어집니다. 하지만 빗방물의 크기가 크고 조건이 맞으면 빛이 물방울 안에서 미처 빠져나가지 못하고 두번 반사되는 경우가 생기는데요. 이것이 쌍무지개 입니다.

두 번이나 부딪히고 꺾였기 때문에 에너지를 잃어 색이 훨씬 희미하고 빛이 한번 더 뒤집혔기 때문에 색깔의 순서가 반대로 나타납니다. 일반적으로 무지개는 위가 빨간색이지만 쌍무지개는 위가 보라색으로 보입니다.

아름다운 자연 현상인 무지개가 생기는 과학적 원리를 3가지로 요약해 드릴게요.

1. 무지개는 공기 중의 작은 물방울들이 수백만 개의 프리즘 역할을 하여 만들어집니다.
2. 태양의 백색광이 물방울을 통과할 때 빛의 색깔마다 꺾이는 각도가 다른 빛의 굴절과 분산을 통해 일곱 빛깔로 나뉘어집니다.
3. 물방울 안에서 한 번 반사되면 1차 무지개, 두 번 반사되면 색깔이 뒤집힌 쌍무지개가 생겨납니다.