천연 다이아몬드는 지구 맨틀에 있는 탄소 입자가 화산 폭발 등에 의해 매우 높은 온도에서 압력을 받아 결정화되면 만들어진다. 다이아몬드는 천연물질 중 가장 단단하다. 최근에는 영화배우 오드리 헵번처럼 죽은 사람의 유골로 다이아몬드 반지를 만들어 목에 걸고 다니는 사람이 있다는 뉴스도 나왔다. 이 경우 유골에 함유된 탄소를 추출해 섭씨 1300도와 55GPa(기가 파스칼(Pa):1Pa는 ㎡당 1뉴턴(N)이 작용하는 힘)의 압력을 가함으로써 다이아몬드 반지를 만든다. 유골에 함유된 붕소(B) 성분 때문에 푸른 빛을 띠는 다이아몬드가 된다.

●다이아몬드가 유리보다 더 반짝거리는 이유

다이아몬드는 귀하고 아름답기 때문에 비싸다. 어떤 보석도 다이아몬드의 ‘분산능(투명 물질이 빛을 분산시키는 능력의 정도)’을 따라잡을 수 없다. 빛의 ‘전반사(全反射)’를 극대화시키는 커팅(cutting)과 분산능이 결합돼 반짝거리는 무지개 색을 만든다. 다이아몬드의 커팅은 빛의 전반사를 돕는다. 다이아몬드의 윗부분으로 들어간 빛은 그것이 빠져 나갈 다이아몬드의 맨 아래쪽에 도달할 때까지 전반사가 일어난다. 이것이 다이아몬드로 하여금 밝은 반짝거림을 갖게 한다. 그러나, 유리는 이런 전반사가 일어날 수 없다. 다이아몬드로 들어간 빛이 내부에서 전반사될 때 우리 눈으로 가장 많은 빛이 들어와 반짝이게 보인다.

●빛의 ‘전반사’란?

빛이 한 물질에서 다른 물질로 들어갈 때, 물질의 종류가 다르면 빛의 진행속도도 다르다. 때문에 물질의 경계면에서 빛의 진행 방향이 꺾이는 ‘빛의 굴절’ 현상이 나타난다. 물질의 경계면에서 빛이 꺾이는 정도를 굴절률로 표시하는데, 굴절률은 매질의 종류에 따라 다르고 굴절률이 큰 매질로 진행하면 꺾이는 정도가 더욱 커진다.

빛이 한 물질 속에서 다른 물질로 진행할 때 입사각을 크게 해 굴절각이 90도 이상이 되면 빛은 모두 반사만 하게 된다. 이런 현상을 전반사라 한다. 빛이 전반사할 수 있는 최소의 입사각을 임계각이라 한다.

다이아몬드는 큰 굴절률(약 2.4)을 가지기 때문에, 전반사를 위한 임계각은 약 25도이다. 그러므로 입사된 빛이 25도보다 작은 각으로 꺾여 들어갈 경우 빛이 밖으로 새어나가 버린다. 다이아몬드가 색이 들어있는 것처럼 중앙부가 검게 보이는 현상도 발생할 수 있다.

●빛의 ‘전반사’는 어디에 이용될까?

잠수함의 잠망경과 쌍안경에는 직각프리즘이 사용된다. 유리의 임계각 42도보다 더 큰 각으로 빛이 내부의 표면으로 들어오면 전반사된다. 쌍안경 내부에 전반사 프리즘을 이용하면 계기의 길이를 줄일 수 있다. 또 잠수함의 잠망경은 바다와 공기를 에워싼 곳에서 목표물과 위협이 되는 것들을 빛의 전반사를 이용해 숨은 위치에서 바깥 세상을 볼 수 있도록 해준다. 다섯 개의 면을 가진 펜타프리즘은 카메라에도 이용된다. 사진사가 카메라 렌즈를 통해 찍을 피사체의 실제 모습을 볼 수 있게 한다. 한편 내시경이나 광통신에 이용되는 광섬유는 유리로 된 머리카락이라고 볼 수 있다. 사람이 접근할 수 없는 위치의 물체를 보거나 원격 통신에서의 막대한 정보를 손실 없이 전송하고자 할 때 활용된다. 광섬유 내부구조상 굴절률 차이로 인한 빛의 전반사 원리를 이용한 것이다.

한은주 숭인중학교 교사