프리즘은 어떻게 작동하나요? 빛, 굴절, 분산 설명

프리즘은 빛이 유리를 통과할 때 빛을 구부리는 방식으로 작동하며, 빛의 각 색상이 약간 다른 각도로 구부러지기 때문에 백색광은 전체 가시 스펙트럼으로 펼쳐집니다. 이 프로세스에는 두 가지 주요 물리적 원리가 포함됩니다. 굴절 그리고 분산 . 이 두 힘이 어떻게 상호 작용하는지 이해하면 하늘의 무지개부터 물리학 실험실의 레이저 실험까지 모든 것이 설명됩니다.

빛이 프리즘에 들어갈 때 일어나는 일

광선이 공기에서 유리로 이동할 때 속도가 느려집니다. 유리는 광학적으로 공기보다 밀도가 높기 때문에 빛이 유리를 통과하는 속도가 더 느립니다. 이러한 속도 변화로 인해 두 물질 사이의 경계에서 광선이 구부러집니다. 이 굽힘을 이라고 합니다. 굴절 .

구부러지는 정도는 스넬의 법칙(Snells Law)에 의해 설명됩니다. 이 법칙은 입사각의 사인 대 굴절각의 사인의 비율이 두 매질의 빛 속도의 비율과 같다는 것입니다. 실제적으로 빛은 밀도가 높은 매질에 들어갈 때 표면에 수직인 선을 향해 구부러지고 나갈 때 표면에서 멀어지는 방향으로 휘어집니다.

프리즘은 최소한 두 개의 편평하고 각진 표면으로 이루어져 있습니다. 빛은 한 면을 통해 들어오고 다른 면을 통해 나옵니다. 두 표면이 평행하지 않기 때문에 입구에서 발생한 굴절이 출구에서 상쇄되지 않습니다. 대신, 두 가지 굴절이 모두 복합되어 빛을 같은 방향으로 더 구부립니다.

백색광이 색상으로 분할되는 이유

백색광은 단일 색상이 아닙니다. 그것은 가시 스펙트럼의 모든 색상이 혼합되어 있으며 각각 고유한 파장을 가지고 있습니다. 보라색 빛은 대략 380~450나노미터의 파장을 갖고, 빨간색 빛은 대략 620~750나노미터의 다른 쪽 끝에 위치합니다.

중요한 세부 사항은 유리가 서로 다른 양만큼 서로 다른 파장을 느리게 한다는 것입니다. 보라색과 같이 파장이 짧을수록 유리 내부의 속도가 더 느려지고 따라서 더 급격하게 구부러집니다. 빨간색과 같이 파장이 길수록 속도가 느려지고 구부러지는 현상이 줄어듭니다. 파장에 따른 굽힘 각도의 이러한 변화를 분산 .

일반적인 유리 프리즘에서 보라색과 빨간색 빛의 굴절률 차이는 대략 다음과 같습니다. 0.02~0.05 , 유리 종류에 따라 다릅니다. 그 작은 차이는 빛이 프리즘을 빠져나갈 때 눈에 보이는 무지개로 색상을 퍼뜨리기에 충분합니다.

스펙트럼의 색상 순서

색상은 항상 고정되고 예측 가능한 양만큼 휘어지기 때문에 항상 동일한 순서로 나타납니다. 가장 덜 구부러진 것부터 가장 많이 구부러진 것까지 순서는 다음과 같습니다.

• 빨간색
• 오렌지
• 노란색
• 녹색
• 블루
• 인디고
• 보라색

이는 물방울이 대기에서 작은 프리즘 역할을 하는 자연 무지개에서 볼 수 있는 것과 동일한 순서입니다.

프리즘 모양의 역할

표준 프리즘의 삼각형 모양은 우연이 아닙니다. 꼭지점 각도 또는 프리즘 각도라고 하는 삼각형 꼭지점의 각도는 빛이 겪는 전체 편차의 양을 직접적으로 제어합니다. 꼭지점 각도가 클수록 색상 간의 분리가 더 커집니다.

대부분의 데모 프리즘의 정점 각도는 60도 , 이는 극단적인 기하학을 요구하지 않고도 강력하고 쉽게 눈에 띄는 분산을 제공합니다. 30도 프리즘은 빛을 더 부드럽게 편향시키는 반면, 70도 이상의 각도에서는 표면의 내부 반사로 인해 상당한 빛 손실이 발생하기 시작합니다.

프리즘의 재질도 중요합니다. 조밀한 플린트 유리는 표준 붕규산 유리보다 굴절률이 높기 때문에 색상을 더 강하게 분산시킵니다. 정밀한 색 분리가 필요한 광학 기기에는 일반 유리창이 아닌 특수 제조된 유리를 사용하는 이유가 바로 여기에 있습니다.

색상에 따른 굴절률 비교

굴절률의 차이가 종이에서는 작게 보이지만 프리즘의 기하학적 구조가 출사면 전체에 걸쳐 증폭되면 명확하게 눈에 띄는 색상 확산을 생성합니다.

프리즘이 빛을 다시 흰색으로 재결합할 수 있습니까?

그렇습니다. 아이작 뉴턴은 1666년에 첫 번째 프리즘의 분산 스펙트럼 경로에 두 번째 프리즘을 거꾸로 배치하여 이를 입증했습니다. 두 번째 프리즘은 각 색상을 다시 정렬하여 단일 백색광 광선으로 재결합했습니다. 이 실험은 두 가지 사실을 입증했습니다. 백색광에는 모든 색상이 포함되어 있다는 것과 프리즘 자체는 빛에 색상을 추가하지 않고 이미 존재했던 것만 드러낸다는 것입니다.

이러한 가역성은 광학 설계에서 중요합니다. 분석을 위해 파장을 분리해야 하는 시스템은 수차가 없는 이상적인 광학을 가정하여 나중에 정보 손실 없이 파장을 재결합할 수 있습니다.

색 분리를 넘어서는 프리즘의 실제 활용

프리즘은 무지개를 만드는 데에만 사용되는 것이 아닙니다. 그들은 광학 기기 및 기술에서 다양한 정밀 기능을 제공합니다.

분광학

과학자들은 프리즘 기반 분광계를 사용하여 물질에 의해 방출되거나 흡수되는 빛을 분석합니다. 각 요소는 지문처럼 작용하는 고유한 스펙트럼 선 세트를 생성합니다. 천문학자들은 이 기술을 사용하여 물리적 샘플을 수집하지 않고도 수백만 광년 떨어져 있는 별의 화학적 구성을 결정합니다.

쌍안경과 잠망경

쌍안경 내부에는 루프 프리즘과 포로 프리즘이 사용됩니다. 내부 전반사 분산보다는. 빛이 임계각보다 더 가파른 각도로 유리 내부 표면에 닿으면 손실 없이 완전히 반사됩니다. 이를 통해 쌍안경은 이미지 밝기와 방향을 유지하면서 광학 경로를 컴팩트한 형태로 접을 수 있습니다.

통신 및 광섬유

광섬유 네트워크의 파장 분할 다중화는 프리즘과 유사하게 기능하는 분산 기반 구성 요소를 사용합니다. 서로 다른 데이터 채널은 서로 다른 빛의 파장으로 전송된 다음 회절 격자 또는 프리즘과 같은 요소를 사용하여 분리되거나 결합되므로 단일 광섬유가 엄청난 양의 정보를 동시에 전달할 수 있습니다.

카메라 및 프로젝터 시스템

고급 비디오 카메라는 빔 분할 프리즘을 사용하여 들어오는 빛을 별도의 빨간색, 녹색, 파란색 채널로 나누고 각 채널을 전용 센서로 캡처합니다. 이는 컬러 필터 어레이에 의존하는 단일 센서 시스템보다 더 정확한 색상 재현을 생성합니다.

입사각이 출력에 미치는 영향

빛이 프리즘 표면에 닿는 각도는 결과에 큰 영향을 미칩니다. 최소 편차 각도에서 빛은 프리즘을 대칭적으로 통과하며 분산이 가장 깨끗합니다. 입사각이 더 가파를수록 일부 파장은 내부 전반사를 겪게 되어 프리즘을 전혀 빠져나가지 못할 수 있습니다.

60도 크라운 유리 프리즘의 경우 최소 편차 각도는 대략 다음과 같습니다. 37~40도 가시광선용. 광학 엔지니어는 왜곡을 최소화하면서 원하는 파장이 통과하도록 기기를 설계할 때 이를 정확하게 계산합니다.

빛이 너무 얕은 각도로 표면에 닿으면 유리에 전혀 들어가지 않고 반사될 수 있습니다. 이는 프레넬 방정식에 의해 지배되는 현상입니다. 고품질 반사 방지 코팅 광학 프리즘 이러한 표면 손실을 최소화하고 전송 효율을 향상시킵니다.

프리즘과 회절 격자의 차이점

프리즘과 회절 격자는 모두 빛을 구성 파장으로 분리할 수 있지만 완전히 다른 물리적 메커니즘을 통해 분리됩니다. 프리즘은 굴절과 굴절률의 파장 의존성을 사용합니다. 회절 격자는 수천 개의 미세한 평행선으로 덮인 표면에서 산란되는 광파의 간섭을 사용합니다.

특히 색상 순서는 둘 사이에서 반대입니다. 프리즘에서는 보라색이 가장 많이 구부러져 있습니다. 회절 격자에서 빨간색은 가장 큰 각도로 회절됩니다. 이 차이는 각 경우의 기본 물리학의 직접적인 결과입니다.

일부 재료가 다른 재료보다 빛을 더 많이 분산시키는 이유

빛을 분산시키는 물질의 경향은 아베수로 측정됩니다. 에이 낮은 아베수 높은 분산을 의미합니다. 즉, 소재가 색상을 강하게 분리한다는 의미입니다. 아베수가 높다는 것은 분산이 낮다는 것을 의미합니다. 밀도가 높은 플린트 유리의 아베수는 약 36이고, 붕규산염 크라운 유리는 약 64입니다.

카메라 렌즈에서 높은 분산은 일반적으로 색수차를 생성하므로 바람직하지 않습니다. 색수차는 서로 다른 색상이 약간 다른 거리에 초점을 맞추고 무늬나 흐릿함을 생성합니다. 렌즈 디자이너는 의도적으로 고분산 유리와 저분산 유리로 만든 요소를 ​​결합하여 색수차 보정이라는 기술인 색수차를 상쇄합니다.

그러나 프리즘 분광계에서는 높은 분산이 바로 여러분이 원하는 것입니다. 분산이 강할수록 스펙트럼이 더 많이 퍼져서 가까운 간격의 파장을 더 쉽게 구별할 수 있습니다.

주요 시사점

프리즘은 백색광을 스펙트럼으로 분할합니다. 왜냐하면 유리는 다양한 파장을 다양한 양으로 느리게 하여 각 색상이 고유한 각도로 굴절되도록 하기 때문입니다. 프리즘의 삼각형 기하학은 입사 및 출사 굴절 모두가 빛을 동일한 방향으로 구부려 분리를 증폭시키도록 합니다. 그 결과 얕은 쪽의 빨간색부터 가파른 쪽의 보라색까지 이어지는 눈에 보이는 무지개가 탄생합니다.

1. 굴절 광학 밀도가 다른 물질 사이를 이동할 때 빛이 휘어지는 원인이 됩니다.
2. 분산 동일한 물질 내에서 서로 다른 파장이 서로 다른 양만큼 휘어지는 원인이 됩니다.
3. 프리즘 모양은 두 표면의 굴절을 혼합하여 시각적인 색상 분리를 생성합니다.
4. 뉴턴이 스펙트럼을 두 번째 프리즘과 재결합하여 증명했듯이 이 과정은 완전히 가역적입니다.
5. 프리즘은 강의실 시연뿐만 아니라 분광학, 이미징 시스템, 쌍안경, 통신에도 사용됩니다.