빛이란 무엇이며 빛은 어디에서 오는가?

소개 – 빛이란 무엇인가요?

과학자가 아닌 우리는 빛은 그저 빛일 뿐이라고 당연하게 생각하며, 빛이 어디서 오는지, 어떻게 만들어지는지에 대해서는 거의 생각하지 않습니다. 따라서 빛, 조명 또는 실내 농업과 관련된 업무를 하고 계신다면 이 사실을 알아두시면 좋을 것 같습니다.

이 글에서는 “빛이란 무엇인가요?”라는 질문의 장막을 걷어냅니다.

빛은 에너지의 방출입니다.

간단히 말해, 광원(예: 백열전구)에서 방출되는 빛의 광자는 단순히 에너지의 방출입니다. 이를 설명하기 위해 고무줄이 끊어지는 것을 비유로 들어보겠습니다.

고무줄을 잡아당기기 위해 물리적인 에너지를 가한다고 가정해 보겠습니다. 이렇게 하면 고무 밴드 소재에 전위 에너지가 전달됩니다. 한쪽 끝을 놓으면 고무줄이 빠르게 수축하면서 ‘딸깍’ 소리가 납니다! 스냅은 소리의 형태로 방출되는 잠재적 에너지입니다.

자연 저궤도에 있는 전자부터 시작하겠습니다(그림 4-a).

전구에 에너지나 전기를 가하면 필라멘트 원자의 전자가 더 높은 궤도로 여기되어 위치 에너지를 얻게 됩니다(그림 4-b).

전자가 낮은 상태 또는 자연 상태(그림 4-c)로 돌아갈 때 에너지를 방출하지만, 소리 대신 빛의 광자를 방출합니다.

즉, 빛은 단순히 에너지의 방출이며 다른 유형의 조명(LED, 형광등 등)은 여러 면에서 다르지만 전자가 높은 궤도 또는 상태에서 낮은 상태로 떨어지게 하여 빛의 광자를 방출한다는 최종 결과는 동일합니다.

전자는 일정한 전기가 흐르더라도 더 높은 궤도에 머물러 있지 않습니다.

전자가 더 높은 궤도에 계속 머물지 않는 이유는 결국 일정한 전기가 계속 공급되고 있기 때문입니다.

높은 궤도에 있는 전자는 높은 줄(줄타기)을 타는 사람과 같습니다. 그들은 항상 매우 위태롭고 불안정한 상태에 있으며, 높은 궤도에서 떨어지기 쉽습니다. 그렇다면 전자가 이 상태에서 불안정한 이유는 무엇일까요?

물리학 및 양자역학

요컨대, 전자와 같은 아원자 입자는 이상합니다. 그들은 아주 작은 세계, 양자역학의 세계에 살고 있습니다. 즉, 사물은 만지고, 듣고, 보고, 냄새를 맡는 우리의 세상적 존재와 동일하게 작동하지 않습니다.

전자의 존재 자체가 불확실하기 때문에 높은 와이어 위에서 전자의 위치는 불안정합니다. 따라서 쉽게 떨어지고 빛의 광자를 방출합니다.

그리고 일정한 전기가 가해지기 때문에 다음 전자는 더 높은 상태로 올라갔다가 곧 떨어지고, 이렇게 수십억 개의 전자가 지속적으로 상승하고 하강하는 것이 전구에서 나오는 빛의 흐름을 우리에게 제공합니다.

전자의 고전적 및 양자적 관점(심층 분석).

어떤 사람들은 원자, 핵, 궤도를 도는 전자에 대한 저의 고전적인 설명이 부정확하다고 주장할 것입니다. 저도 동의하지만, 학생들이 물리학과 화학의 복잡성을 ‘쉽게’ 이해할 수 있도록 돕기 위해 여전히 교실에서 이런 방식으로 가르치고 있습니다.

양자 세계에서 전자는 전자 구름으로 존재합니다. 이것은 전자가 핵 주위를 끊임없이 들락날락하지만 관찰되지 않는 한 한 곳에 머물러 있지 않다는 것을 유추할 수 있습니다.

가장 뛰어난 과학자들도 아직 양자역학을 완전히 풀지 못했으니 이해가 안 되더라도 걱정하지 마세요. 하지만 이것이 바로 전자가 이상하게 남아 있는 이유이며, 시간과 공간에서 전자의 위치가 항상 불안정한 이유입니다.

빛은 입자이면서 동시에 파동입니다.

빛은 그 행동 때문에 입자로 인식하기 쉽습니다: 테니스 공처럼 벽과 거울에 반사되기 때문입니다. 우리는 빛의 입자를 볼 수는 없지만, 그 행동으로 인해 빛의 입자를 추론할 수 있습니다.

빛도 파동이지만, 우리가 빛을 물결처럼 파동으로 볼 수 있는 것은 그 행동 때문이 아닙니다. 이중 슬릿 실험이라는 유명한 실험이 있었는데, 두 개의 슬릿을 통해 빛을 보냈는데 그 결과가 놀랍게도 물결이 두 개의 슬릿을 통과하는 것과 비슷하게 나타났다는 것입니다. 빛은 입자이자 파동으로 작용하기 때문에 빛은 두 가지 모두로 간주되었습니다.

분광기를 사용하여 입자와 파동 구분하기

조도계는 빛의 입자 및 파동 측면을 모두 측정하고 볼 수 있습니다. 빛은 광자라고 하는 입자로 이루어져 있습니다. 분광계 또는 조도계는 LUX 또는 PPFD(성장광)를 측정하여 빛에서 나오는 광자 수를 측정할 수 있습니다. LUX가 높을수록 평방미터에 더 많은 광자가 닿는다는 뜻입니다.

분광계는 파동도 측정할 수 있는 정교한 광도계로, 이러한 파동에는 특정 색상과 관련된 주파수가 있습니다. 파란색은 주파수가 짧고 빨간색은 주파수가 깁니다.

각 광자에는 색을 결정하는 관련 파장 주파수가 있으며, 분광기로 측정한 스펙트럼은 빛의 모든 가시 색상에 대한 상대적인 광자 수를 보여줄 수 있습니다.

그림 11 파란색은 주파수가 더 짧고 빨간색은 더 깁니다.

결론 – 빛이란 무엇인가에 대한 장막을 걷어내다.

빛은 고무줄이 끊어지는 것처럼 에너지의 방출입니다. 더 높은 상태로 밀려나는 궤도 전자를 이해해야 합니다. 전자는 존재의 불확실성 때문에 쉽게 자연 상태로 되돌아가 광자 형태로 에너지를 방출합니다. 수십억 개의 전자가 끊임없이 상승과 하강을 반복하며 빛의 흐름을 만들어내는데, 이는 더 이상 당연하게 여길 필요가 없습니다.

누구나 과학자가 될 수 있습니다!