색과 프리즘, 무지개

크라운 유리의 굴절률은 410 nm 보라빛에서 1.530, 660 nm 빨간빛에서 1.512이므로 보라빛을 빨간빛보다 조금 더 꺾습니다.

흰빛은 섞인 빛입니다

1660년대 중반에 아이작 뉴턴은 창문 덧문에 뚫은 작은 구멍으로 가느다란 햇빛 한 줄기를 어두운 방 안에 들여보내고, 그 빛이 유리 프리즘을 지나가게 했습니다. 그러자 반대편 벽에 여러 색이 이어진 띠가 나타났습니다. 뉴턴은 이 결과를 1672년에 논문으로 발표했습니다. 2015년 영국 왕립학회 학술지 「Philosophical Transactions」에 실린 해설 논문은 이 논문을 근대 광학의 바탕이라고 평가합니다. 이 논문에서 뉴턴은 색이 프리즘에서 덧붙여지는 것이 아니라고 주장했습니다. 흰빛은 원래 여러 색이 섞인 빛이고, 색마다 굴절되는 정도가 조금씩 다르기 때문에 프리즘이 그 색들을 갈라 놓는다는 것입니다. 뉴턴은 또 띠에서 한 가지 색만 골라내 두 번째 프리즘에 보내면, 그 빛은 다른 색으로 바뀌지 않고 같은 색 그대로 남는다는 것도 보였습니다.

왜 이런 일이 생기는지는 OpenStax 교재가 설명합니다. 같은 물질이라도 굴절률은 빛의 파장에 따라 조금씩 다릅니다. 파장이 짧아질수록 굴절률이 커지고, 보라색에서 굴절률이 가장 큽니다. 그래서 프리즘을 지날 때 보라빛이 빨간빛보다 더 많이 꺾이고, 흰빛은 빨강에서 보라까지 익숙한 순서로 부채꼴처럼 펼쳐집니다. 흰빛을 이렇게 스펙트럼으로 펼쳐 놓는 것을 분산(dispersion)이라고 합니다. 더 넓게 말하면, 어떤 과정이 빛의 방향을 바꾸는데 그 정도가 파장에 따라 달라진다면 언제나 분산이 일어납니다.

프리즘에 들어간 흰빛은 두 면에서 한 번씩, 모두 두 번 굴절합니다. 보라색이 가장 많이, 빨간색이 가장 적게 꺾입니다(퍼짐은 과장해서 그렸습니다).

색	물	크라운 유리	다이아몬드
빨강 660 nm	1.331	1.512	2.410
주황 610 nm	1.332	1.514	2.415
노랑 580 nm	1.333	1.518	2.417
초록 550 nm	1.335	1.519	2.426
파랑 470 nm	1.338	1.524	2.444
보라 410 nm	1.342	1.530	2.458

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크라운 유리로 들어가는 흰빛입니다. OpenStax 표 25.2의 색별 굴절률로 색마다 따로 굴절시킵니다. 퍼짐은 작습니다. 분산이 더 큰 플린트 유리나 다이아몬드로 바꿔 보세요.

색과 파장

무지개의 색은 보통 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 보라의 여섯 가지로 부르고, 남색을 더하기도 합니다. OpenStax 교재는 스펙트럼이 끊김 없이 이어져 있다는 점을 강조합니다. 색 이름은 빨강의 약 700 nm에서 보라의 약 400 nm까지 이어지는 파장 범위에 붙인 이름표입니다. 눈에 한 가지 파장의 빛만 들어오면 우리는 대개 이 색 가운데 하나를 봅니다. 우리가 볼 수 있는 그 밖의 수많은 색은 여러 파장이 섞인 빛에 눈이 반응해서 생긴 결과입니다. 햇빛에는 눈에 보이는 모든 가시광선 파장이 들어 있어서 희게, 또는 아주 조금 노랗게 보입니다.

물체가 띠는 색은 그 물체가 우리 쪽으로 되돌려 보내는 빛에서 나옵니다. 햇빛 아래의 나뭇잎이 초록으로 보이는 것은 다른 색보다 초록빛을 더 많이 반사하고 나머지 상당 부분을 흡수하기 때문입니다. 그래서 초록빛이 전혀 들어 있지 않은 조명 아래에서는 같은 나뭇잎이 어둡게 보입니다. 색 필터도 자기를 지나가는 빛에 대해 이와 비슷하게 작동합니다. 빨간 필터는 빨간빛을 통과시키고 다른 색은 대부분 흡수합니다.

무지개

무지개는 물방울이 일으키는 분산입니다. OpenStax 교재에 따르면 빛은 물방울에 들어가 뒷면에서 반사되고 다시 나오며, 들어갈 때와 나올 때 모두 굴절합니다. 물의 굴절률은 파장에 따라 조금씩 다르므로, 물방울에서 나오는 빛은 색마다 조금씩 다른 각으로 나옵니다. 무지개는 태양을 등지고 서 있을 때만 보입니다. 그리고 색마다 햇빛이 오는 방향과 자기만의 각을 이루는 물방울에서 빛이 눈으로 들어오기 때문에, 무지개는 둥근 활 모양을 띱니다. 물방울 안에서 두 번 반사된 빛은 첫 번째 무지개 위쪽에 더 흐린 두 번째 무지개를 만듭니다. OpenStax 교재가 전하듯 1300년 무렵 페르시아의 카말 알딘 알파리시는 카메라 옵스큐라 안에 물을 채운 커다란 유리 그릇을 두어 거대한 빗방울 대신 쓰며 이 현상을 연구했고, 독일의 프라이베르크의 테오도리쿠스도 비슷한 실험을 했습니다. 두 사람 모두 이븐 알하이삼의 연구를 바탕으로 삼았습니다.

배경하지만 분산이 언제나 반가운 것은 아닙니다. OpenStax 교재에 따르면 흰빛을 광섬유로 보내면 빛이 시간적으로 퍼져 색마다 조금씩 다른 순간에 도착하므로 한 메시지가 다음 메시지와 뒤섞입니다. 반면 레이저는 거의 한 가지 파장의 빛만 내므로 분산이 아주 작습니다. 광섬유 통신망이 레이저 빛을 쓰는 것도 이 때문이며, 여러 까닭 가운데 하나입니다. 천문학자들은 오히려 이 문제를 거꾸로 이용해 쓸모 있게 만듭니다. 우주에서 온 전파가 얼마나 분산되었는지를 보면 오는 길에 물질을 얼마나 지나왔는지 알 수 있습니다.

유리 프리즘이 가장 많이 꺾는 색은 무엇일까요?
- 보라
- 빨강
- 초록
- 모든 색을 똑같이
흰빛이 공기에서 크라운 유리로 45°로 들어갑니다. 빨강의 굴절률은 1.512, 보라는 1.530입니다. 두 굴절 광선의 각은 몇 도 차이 날까요? 소수 둘째 자리까지 쓰세요.
크라운 유리 속에서 더 빠른 것은 무엇일까요?
- 빨간빛
- 보라빛
- 같은 속력
- 유리 속에서는 둘 다 못 움직임
무지개를 보려면 태양은 어디에 있어야 할까요?
- 내 뒤
- 내 앞
- 머리 바로 위
- 앞쪽 지평선 아래
더 흐린 두 번째 무지개는 무엇이 만들까요?
- 물방울 안에서 두 번 반사된 빛
- 구름 두 겹을 지난 빛
- 달빛
- 물방울 둘레의 회절
빛과 색에 관한 뉴턴의 논문이 실린 해는 언제일까요?
- 1672년
- 1801년
- 1543년
- 1905년
햇빛 아래에서 나뭇잎이 초록으로 보이는 까닭은 무엇일까요?
- 초록빛을 더 많이 반사하고 나머지를 상당히 흡수해서
- 스스로 초록빛을 내서
- 초록빛을 흡수해서
- 초록빛을 다른 색보다 더 꺾어서
OpenStax 표 25.2에서 660 nm 빨간빛에 대한 물의 굴절률은 얼마일까요?
광통신망이 흰빛보다 레이저 빛을 쓰는 까닭은 무엇일까요?
- 레이저 빛은 거의 한 파장이라 분산이 아주 작아서
- 레이저가 더 느려서
- 흰빛은 유리에 못 들어가서
- 레이저 빛은 반사되지 않아서

핵심 정리

흰빛은 여러 색이 섞인 빛입니다(뉴턴, 1672년 논문).
파장이 짧을수록 굴절률이 커서 보라가 빨강보다 더 꺾입니다. 이것이 분산입니다.
색 이름은 약 400~700 nm로 이어진 스펙트럼의 구간에 붙인 이름입니다.
무지개는 물방울 속 굴절, 반사 한 번, 굴절로 생기고 태양을 등져야 보입니다. 반사가 두 번이면 두 번째 무지개가 생깁니다.

이 과정의 출처 (16)

OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 25.2 The Law of Reflection (θr = θi, diffuse vs mirror reflection, image as far behind the mirror)
25.3 The Law of Refraction (Roemer 1676 data -> 2.26 × 10⁸ m/s, about 25% low; Michelson rotating mirrors with a fixed mirror 35 km away, 0.04%; c = 2.99792458 × 10⁸ m/s; n = c/v; Table 25.1 air 1.000293, water 1.333, ice 1.309, crown glass 1.52, flint 1.66, polystyrene 1.49, zircon 1.923, diamond 2.419; Snell's law; 30.0° -> 22.0° gives 1.33; air to diamond 30.0° -> 11.9°; zircon 1.56 × 10⁸ m/s; Ibn Sahl 984; Snell 1580 to 1626; lawn-mower analogy)
25.4 Total Internal Reflection (mirror more than 90%; θc = sin⁻¹(n2/n1); polystyrene 42.2°, water 48.6°, diamond 24.4°; fibre optics, cladding; corner reflectors on bicycles and on the Moon; binoculars)
25.5 Dispersion (Kamal al-Din al-Farisi 1267 to 1319, camera obscura and a water-filled glass vessel; Theodoric of Freiberg; Ibn al-Haytham; about six rainbow colours; Table 25.2 n at 660/610/580/550/470/410 nm; violet bent most; rainbow seen looking away from the Sun; secondary rainbow from two reflections; lasers disperse little)
25.6 Image Formation by Lenses (ray tracing rules, P = 1/f in diopters, 1/do + 1/di = 1/f, m = −di/do, 0.750 m object and f = 0.500 m -> 1.50 m and m = −2.00, magnifier do 7.50 cm -> di −30.0 cm and m = 4.00, Table 25.3 three cases)
26.1 Physics of the Eye (cornea and lens act as one thin lens, most bending at the cornea, cornea n 1.38, lens-to-retina 2.00 cm, near point 25 cm, power 50.0 D to 54.0 D, hair 1.20 × 10⁻² cm at 60.0 cm)
27.3 (Young 1801)
NASA science.nasa.gov/eclipses/geometry (umbra, penumbra; typical umbral path may be less than 50 miles wide, penumbra a thousand miles or more) and nasa.gov image article Diagram of Umbra and Penumbra (umbra shrinks, penumbra grows away from the Sun)
NASA Visible Light page (Newton 1665 prism experiment, 380 to 700 nm)
Royal Society, Fara 2015 commentary on Newton (1672) New Theory about Light and Colours (royalsocietypublishing.org/rsta/article/373/2039/20140213)
NIST Meter page (Evenson group 299 792 456.2 ± 1.1 m/s; 1983 definition fixes c = 299 792 458 m/s) and NIST J. Res. 1972 measurement (tf.nist.gov/general/pdf/527.pdf)
APS News July 2010, Fizeau (Galileo lanterns; Roemer 1676; Fizeau 1849, 313 300 km/s, about 5% high)
Wikipedia Fizeau's measurement (8633 m, 720 notches, 25.2 turns per second -> 313 274 304 m/s, 4.5% high) and Speed of light (Galileo proposal 1638; Foucault 1862 298 000 ± 500 km/s, −0.60%; Michelson 1926 299 796 ± 4 km/s)
Baez and DESY "How is the speed of light measured?" (same table)
NASA Moon Fact Sheet (mean distance 384 400 km)
IAU 2012 astronomical unit 149 597 870 700 m.

확인한 날: 2026-10-17