굴절률 똑같아 빛 반사 안되기 때문

쓰기만하면 투명인간이 된다는 도깨비 감투가 정말 있다면 어떤 일이 일어날까. 명랑 만화 속의 주인공은 집 안에 든 도둑을 잡고 축구 시합을 돕는 등의 활약을 하며 신나는 모험을 한다. 아직 과학을 통해서 마술 같은 투명인간을 만들 수는 없지만 유리를 볼 수 없게 하는 ‘도깨비 감투’는 쉽게 만들어 볼 수 있다.

부엌으로 가 튀김이나 샐러드를 만들 때 사용하는 기름과 유리그릇, 투명한 유리잔을 준비한다. 물이 담긴 유리그릇에 유리잔을 넣고 보면 유리잔이 더 커 보이는 것 외에는 별다른 변화를 찾을 수 없다. 이번에는 기름 속에 유리잔을 넣어보자(사진(1)). 마술처럼 유리잔이 그 모습을 감추게 된다(사진(2)). 처음부터 유리잔을 기름 속에 넣었다가 아무것도 없는 곳에서 끄집어내는 것처럼 보이게 할 수도 있다.

왜 이런 일이 생길까. 빛은 공기 중에서 물이나 기름 속으로 들어가면 구부러지는 성질이 있다. 이것을 굴절이라 하며 이 휘어지는 방식이 물질에 따라 다르다. 유리와 같이 빛을 통과할 수 있는 투명한 물질이라도 자세히 조사해보면 그 성질이 조금 다르다. 공기 중에서 물속으로 진행하던 빛이 유리잔과 만나 표면에서는 반사가 일어나고 유리잔 내부에서는 굴절하기 때문에 모습이 보이게 된다. 따라서 반사와 굴절을 감소시키는 방법을 찾으면 유리잔은 모습을 나타내지 않게 된다. 기름은 가라앉은 유리잔과 굴절률이 거의 비슷하다. 그러므로 기름에 유리를 담가 보면 유리는 마치 자신과 같은 물질로 이루어진 덩어리 속에 파묻혀진 것처럼 모습을 감추게 되는 것이다. 즉, 빛이 두 물질의 경계에서 아무런 영향을 받지 않고 진행할 수 있어 경계가 없어지므로 투명하게 보이게 된다. 하지만 유리의 굴절률은 유리의 종류에 따라 다르므로 어떤 유리는 기름 속에 담가 놓아도 희미하게 모습을 나타낸다. 이때는 담그는 액체의 종류나 빛을 쪼이는 방향을 달리하면 된다.

컵에 그려진 그림이 사라졌다 나타나게 하는 재미난 실험도 해보자. 투명한 플라스틱 컵 2개를 준비하고 한개는 송곳으로 바닥 가운데 구멍을 뚫는다. 구멍을 뚫지 않은 플라스틱 컵에는 유성펜을 이용해 그림을 그린다. 바닥에 구멍을 뚫은 플라스틱 컵이 바깥에 오도록 한 뒤 컵 2개를 포갠 후 구멍을 손가락으로 막고 물이 담긴 그릇 속으로 천천히 넣어보자. 플라스틱 컵의 위쪽에서 컵에 그려진 그림을 보면 감쪽같이 사라져 보이지 않는다(사진(3)). 하지만 컵을 보는 위치를 변화시키거나 막았던 구멍을 열면 컵의 그림이 다시 나타난다(사진(4)). 빛은 굴절률이 서로 다른 경계면에 닿으면 진행 방향이 바뀌어서 휘어진다. 물이 담겨진 컵에 젓가락을 넣고 보면 꺾여 보이는 이유는 바로 이것 때문이다. 그런데 굴절률이 큰 물질에서 굴절률이 작은 물질 쪽으로 빛이 쪼여질 경우에는 특별한 현상이 나타난다. 경계면에 도달한 모든 빛이 굴절되지 않고 반사돼 버리는 경우가 생기는데 이런 현상을 ‘전반사’라 한다.

투명 플라스틱 컵 2개를 겹치면 컵 사이에 공기층이 생긴다. 손가락으로 바깥 컵의 구멍을 막고 물 속에 넣으면 컵 사이의 틈으로 물이 들어오지 못해 공기층이 그대로 있게 된다. 이 때문에 물속을 진행하던 빛이 공기 중으로 굴절돼 들어가지 못하고 다시 물이 담긴 그릇 바닥 쪽으로 전반사되어 우리 눈에 도달하지 못하기 때문에 컵의 그림이 사라진 것처럼 보인다. 하지만 관찰 각도를 달리하거나 컵의 구멍을 막고 있던 손가락을 떼면 컵 사이의 틈으로 물이 들어오면 전반사가 일어나지 않게 되고 빛이 우리 눈에 도달해 컵의 그림이 다시 보이는 것이다.

이와 같은 전반사 현상을 이용해 만든 것이 광섬유이다. 우리나라는 광섬유를 기반으로 초고속 통신망을 갖췄고 그 덕분에 컴퓨터만 있으면 전 세계의 누구와도 자유롭게 정보를 공유할 수 있는 세상에 살게 되었다.



김연숙 부평고 교사