전자기파 스펙트럼
전자레인지는 2.45 GHz로 작동하므로 그 파장은 약 12 cm입니다. 633 nm인 빨간 레이저 빛은 그보다 약 19만 배 짧습니다.
빛은 전자기파의 한 종류입니다
1860년대에 제임스 클러크 맥스웰은 변하는 전기장과 자기장이 파동이 되어 퍼져 나가야 한다는 결론에 이르렀고, 그 파동의 속력을 계산했습니다. 그렇게 계산한 값은 실제로 측정된 빛의 속력과 같았습니다. 그래서 맥스웰은 빛이 우리 눈이 감지할 수 있는 파장을 가진 전자기파라고 결론지었습니다. 그의 이론은 눈에 보이지 않는 다른 파장의 전자기파도 있을 수 있다고 말했습니다. OpenStax 교재에 따르면 하인리히 헤르츠는 1887년부터 불꽃이 튀는 회로를 써서 자기 실험실에서 이런 파동을 직접 만들어 내고 검출했습니다. 또 간섭무늬에서 이 파동의 파장을 재었고, 이 파동이 빛과 같은 속력으로 나아간다는 것을 보였습니다. 전파는 누군가 그 쓸모를 찾기도 전에 실험 공책 속에서 먼저 발견된 셈입니다.
모든 전자기파는 진공 속에서 똑같은 속력 c = 299 792 458 m/s로 나아갑니다. 1983년부터는 미터라는 길이를 이 값으로 정의하고 있기 때문에, NIST는 이 값을 오차가 없는 정확한 값으로 적어 둡니다. 전자기파에서는 앞에서 본 파동의 식이 c = fλ가 되고, OpenStax 교재는 여기서 중요한 결론을 끌어냅니다. 진동수가 클수록 파장은 짧아진다는 것입니다. 전자기파를 긴 전파에서부터 아주 짧은 감마선까지 파장의 순서대로 늘어놓은 것을 전자기파 스펙트럼(electromagnetic spectrum)이라고 부릅니다.
전파에서 감마선까지
전파는 파장이 가장 긴 전자기파로, 그 파장은 약 1 m에서 몇 km에까지 이릅니다. OpenStax 교재는 방송에 쓰는 주파수 대역을 다음과 같이 적습니다. AM 라디오는 540~1600 kHz를 쓰며, 파장이 수백 m나 되어서 언덕과 건물을 돌아 퍼져 나갑니다. FM 라디오는 88~108 MHz를 쓰고, 그 파장은 약 3 m입니다. 그다음은 파장이 약 1 mm에서 수십 cm인 마이크로파입니다. 마이크로파는 휴대전화와 위성의 신호를 실어 나르고, 전자레인지는 음식 속의 물에 잘 흡수되는 2.45 GHz의 마이크로파를 씁니다. 적외선은 따뜻한 물체라면 무엇이든 내보내는 전자기파이며, 열화상 카메라가 보는 것이 바로 이 적외선입니다.
눈에 보이는 가시광선은 스펙트럼 가운데 아주 좁은 대역입니다. NASA는 가시광선의 범위를 보라에서 빨강까지 약 380~700 nm로 적고, OpenStax 교재는 400~750 nm를 씁니다. 가시광선의 양쪽 경계는 사람마다 조금씩 다릅니다. 자외선은 파장이 400 nm에서 약 10 nm까지입니다. OpenStax 교재는 햇빛의 자외선을 UV-A(320~400 nm), UV-B(290~320 nm), UV-C(220~290 nm)로 나눕니다. 대기의 높은 곳에 있는 오존이 UV-B의 대부분과 UV-C 전부를 흡수합니다. 그래서 땅에 닿는 햇빛 자외선의 약 99%는 UV-A입니다. X선은 파장이 그보다 더 짧아서 0.01 nm보다 짧은 것까지 있으며, 빠른 전자가 금속판 같은 표적에 부딪힐 때 생깁니다. 감마선은 원자핵이 붕괴할 때 나오는 전자기파입니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
세 가지 어림 규칙
OpenStax 교재는 전자기파 스펙트럼 전체를 세 가지 규칙으로 정리하는데, 세 규칙에는 모두 예외가 있습니다. 첫째, 진동수가 높을수록 광자 하나의 에너지는 크지만 투과 정도는 물질과 파장에 따라 달라집니다. X선은 연한 조직을 통과할 수 있고 피부에 흡수된 자외선은 피부를 해칠 수 있습니다. 둘째, 진동수가 높은 파동일수록 1초 동안 더 많은 정보를 실어 나를 수 있습니다. 그래서 광섬유가 구리선보다 훨씬 많은 데이터를 실어 나릅니다. 셋째, 무언가를 살피는 데 쓰는 파동의 파장이 짧을수록 그것의 더 작은 부분까지 자세히 알아볼 수 있습니다. 그래서 X선 회절로 결정 속 원자의 배열을 그릴 수 있습니다. 여기에 어디서나 중요한 사실이 하나 더 있습니다. NASA의 설명대로 대기는 가시광선과 여러 전파 같은 대역은 통과시키고 다른 대역은 막기 때문에 X선과 감마선 망원경은 우주에서 관측해야 합니다.
| 영역 | 대략의 파장 | 쓰임 |
|---|---|---|
| 전파 | 1 m 이상 | 방송, MRI |
| 마이크로파 | 1 mm~1 m | 휴대전화, 레이더, 전자레인지 |
| 적외선 | 750 nm~1 mm | 열화상, 난방 |
| 가시광선 | 약 400~750 nm | 보는 것, 광합성 |
| 자외선 | 10~400 nm | 살균, 피부의 비타민 D |
| X선 | 0.01~10 nm | 의료 영상, 보안 검색 |
| 감마선 | 0.01 nm 미만 | 핵의학 |
- 100 MHz FM 전파의 파장은 몇 m일까요? c = 3.00 × 10⁸ m/s로 두세요.
- 전자레인지는 2.45 GHz를 씁니다. 파장은 몇 cm일까요? c = 3.00 × 10⁸ m/s로 두고 소수 첫째 자리까지 쓰세요.
- 초록빛의 파장은 500 nm입니다. 진동수는 10¹⁴ Hz 단위로 얼마일까요? c = 3.00 × 10⁸ m/s로 두세요.
- 다음 중 진동수가 가장 높은 것은 무엇일까요?
- 감마선
- 가시광선
- 마이크로파
- 전파
- 진공에서 X선의 속력은 전파의 속력과 비교해 어떨까요?
- 같음
- 훨씬 빠름
- 훨씬 느림
- 진동수에 따라 다름
- 1887년부터 실험실에서 처음으로 전자기파를 만들고 검출한 사람은 누구일까요?
- 하인리히 헤르츠
- 제임스 클러크 맥스웰
- 토머스 영
- 아이작 뉴턴
- 땅에 닿는 햇빛 자외선의 약 99%는 무엇일까요?
- UV-A
- UV-B
- UV-C
- 감마선
- 광섬유가 전파 연결보다 더 많은 데이터를 나를 수 있는 까닭을 설명하는 어림 규칙은 무엇일까요?
- 진동수가 높을수록 1초에 더 많은 정보를 실을 수 있다
- 파장이 길수록 더 작은 부분이 보인다
- 진동수가 낮을수록 더 잘 뚫는다
- 빛이 전파보다 느리다
- X선 망원경이 우주에서 관측해야 하는 까닭은 무엇일까요?
- 대기가 X선을 흡수해서
- X선이 너무 느려서
- X선은 우주에만 있어서
- 땅 위에서는 망원경을 만들 수 없어서
- FM 대역은 108 MHz까지입니다. 가장 짧은 FM 파장은 몇 m일까요? c = 3.00 × 10⁸ m/s로 두고 소수 둘째 자리까지 쓰세요.
- 빛은 전자기파이며(맥스웰), 헤르츠가 1887년부터 전파를 만들었습니다.
- 진공에서 모든 전자기파는 c = 299 792 458 m/s로 나아가고 c = fλ입니다.
- 파장 순서: 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선.
- 진동수가 높을수록 광자 하나의 에너지는 크지만 투과 정도는 물질과 파장에 따라 달라집니다. 높은 진동수는 더 많은 정보를 싣고 더 작은 부분을 살피는 데 쓰일 수 있습니다.
이 과정의 출처 (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
확인한 날: 2026-10-17