유리는 어떻게 빛을 통과 시킬까?

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우리 주변에는 항상 볼 수 있는 것 중에 하나가 투명한 유리로 된 식기, 유리창, 조명기기 등입니다. 도자기나 금속은 불투명한데 유리는 왜 투명한지 여러분은 의문을 가져본 적이 없습니까?
오늘은 유리는 왜 투명한지에 대해서 같이 한번 생각해 보겠습니다.

일반적으로 유리의 주성분은 금속산화물인 이산화규소, 산화나트륨, 산화칼슘입니다. 그리고 질 좋은 유리를 만들기 위해 소량의 산화알루미늄, 산화붕소도 섞는데, 현재 생산된 유리의 거의 95퍼센트는 이와 같은 복합성분으로 구성되어 있습니다.

유리는 왜 투명할까요?

어떤 물질이 투명하다는 것은 우리 눈에 보이는 빛이 그 물질을 통화할 때 흡수되거나 산란되지 않는다는 것을 뜻합니다. 눈에 보이는 것은 파장이 4000∼8000Å의 빛인데, 유리는 이 범위 안에 들어 있는 파장의 빛을 통과시키기 때문에 투명해 보이는 것이다.

그러면 빛의 흡수가 일어나지 않는 이유는 무엇일까요?

빛의 파장이 짧을수록 에너지가 높은데, 각각의 물질에 따라 결정된 에너지 준위보다 파장이 짧은 빛이 들어오면 물질 속의 전자는 그 에너지를 받아 빛을 흡수하게 됩니다. 반대로 어떤 에너지 준위보다 파장이 긴 빛이 들어오면 이번에는 물질을 구성하고 있는 원자 자체가 격자진동이라고 하는 일종의 공명을 일으켜 또 다시 빛을 흡수해 버립니다.

결국, 물질은 각기 특정한 범위의 빛만을 흡수하지 않고 통과시키는데, 유리의 경우는 우연히도 빛을 흡수하지 않는 범위가 우리의 눈으로 볼 수 있는 빛의 범위 전부를 포함하므로 투명한 것입니다.

유리에서 빛이 산란되지 않는 이유는 무엇일까요?

그것은 유리가 균일하게 만들어져 있기 때문입니다. 예를 들어, 유리와 비슷한 도자기는 불투명한데 그것은 도자기가 여러 가지 종류의 입자로 구성되어 있기 때문이다. 비록 빛을 물질에 흡수하지 않는다 해도 입자끼리의 접촉면에서 빛이 산란될 수 있기 때문입니다. 유리에는 울퉁불퉁한 면이 없기 때문에 빛은 직진하여 통과할 수 있습니다. 불투명유리가 투명하지 않은 것은 표면을 거칠거칠하게 하여 빛이 산란되도록 했기 때문입니다.

색이 들어 있는 유리는 어떻게 만들까요?

철, 코발트, 니켈과 같은 원소를 넣어서 우리들에게 보이는 빛 가운데 특정한 색의 빛만 흡수하게 하는 것입니다. 그러면 남아 있는 색의 빛만이 통과하게 되므로 빨간색이 난다거나 파란색이 나게 되는 것이지요.

자, 이제 유리가 왜 투명한지 이해가 되실 것으로 믿습니다.

빛이 전자들과 부딪치면 전자들은 진동한다.
탄성이 있는 모든 물질은 특정한 진동수에 대하여 보다 잘 반응을 한다. 벨이 특정 진동수의 소리를 내고 소리굽쇠가 특정 진동수에서 진동하듯이 물체 속의 전자들도 특정 진동수로 진동한다. 전자의 고유 진동수는 전자가 근처의 원자핵에 얼마나 강하게 구속되어 있느냐에 달려있다. 물질이 다른 경우에는 전기적 탁성의 세기도 다르다. 유리 속에 있는 전자들의 고유 진동수는 자외선 영역에 속한다. 따라서 자외선이 유리에 입사하면 원자핵과 전자 사이에 큰 진동이 일어나며 이것이 지속되면 공명 현상이 나타난다. 이것은 마치 그네를 타고 있는 사람을 그네의 진동에 맞추어 밀 때, 진폭이 점차 커지는 현상과 같다. 원자가 얻은 에너지는 충돌에 의해 이웃한 원자에 전달되거나 빛의 형태로 재 방출된다. 만일 자외선이 자신과 동일한 고유 진동수를 가진 원자와 상호 작용을 하면 그 전자의 진폭은 보통 때보다 훨씬 커진다. 원자는 이 에너지에 상당시간 동안 반응한다.(약 1초 동안에 100만번에서 1억번의 진동)
이 시간 동안 원자는 많은 다른 원자들과 충돌을 하며 가진 에너지를 열의 형태로 전달한다. 이러한 이유로 유리는 자외선에 대해 투명하지 못하다. 그러나 가시광선과 같이 자외선에 비해 진동수가 작은 전자기파가 입사한 경우에 전자들은 보다 진폭이 작은 진동을 하게 된다. 원자는 보다 짧은 시간 동안 에너지를 가지며, 이웃한 원자와의 충돌 기회도 적어지고, 열로 전환되는 에너지도 적다. 진동하는 전자의 에너지는 빛으로 재 방출된다. 유리는 모든 진동수의 가시광선에 대해 투명하다. 한 원자에서 다른 원자로 재 방출되는 빛의 진동수는 처음 진동을 일으킨 빛의 진동수와 동일하다. 주된 차이점은 흡수와 재 방출이 일어날 때 생기는 약간의 시간의 지연이다.
이러한 시간 지연은 투명한 물질을 통과하는 빛의 평균 속력을 감소시킨다. 빛이 다른 물질을 통과할 때의 속도는 각기 다르다. 진공에서의 빛의 속도는 300,000km/s로 상수이다. 이를 광속이라 한다. 대기 중에서의 빛의 속력은 이것보다는 약간 느리기는 하지만, 일반적으로 c로 사용한다. 물속에서의 광속은 진공에서의 75%이며, 유리 속에서는 유리의 종류에 따라 다르기는 하지만, 대략 67%, 다이아몬드를 투과할 때는 40%에 불과하다. 빛이 이러한 물질에서 나와 다시 공기 속으로 진행할 때는 본래의 속도인 c가 된다.
가시광선보다 진동수가 작은 적외선은 전자뿐만이 아니라 유리 전체를 진동시킨다. 전체적인 진동에 의해 유리의 내부 에너지가 증가하므로 유리는 점차 따뜻해진다. 요컨대, 유리는 가시광선에 대하여는 투명하지만, 자외선이나 적외선에 대해서는 투명하지 않다.