파동(wave)과 전자기파(electromagnetic wave)

현대과학에서는 모든 물질을 파동성과 입자성을 모두 갖는다는 양자역학으로 해석합니다. 하지만 양자역학을 이해하기란 어려워서 대상을 편의에 따라 파동성을 가지는 것으로 다루기도 하고 입자성을 가지는 것으로 다루기도 합니다. 광합성과 관련하여 빛을 다룰 때도 마찬가지입니다. 식물이 어떤 색깔의 빛을 받아들이는가를 다룰 때는 빛을 파동으로으로 다루고, 식물에 빛이 얼마나 쏟아지는가를 다룰 때는 빛을 입자로 다룹니다. 여기서는 빛을 파동으로 다룰 때의 기초가 되는 내용을 싣습니다.

 

파동(wave)

파동은 공간에서 평형상태로부터의 변화 또는 진동이 전달되는 현상을 말합니다. 일정한 패턴으로 진동하는 파동의 경우 진동수와 파장을 가집니다. 파동은 시간상으로도 주기성을 가지고 공간상으로도 주기성을 가집니다.

 

주파수(진동수)(frequency), 주기(period)

공간을 고정시키고 시간에 따른 파동의 크기를 측정함으로써 파동의 진동수를 알 수 있습니다. 예로, 물에 떠 있는 낚시찌가 파도에 상하로 움직일 때 1초 동안 몇 번 움직이는가를 측정한 값이 진동수가 됩니다. 파도는 진동수가 작지만 소리는 진동수가 더 크고, 빛은 또 더 큽니다. 진동수의 단위는 1/sec 또는 Hz(hertz: 헤르츠)입니다. 진동수의 역수가 주기입니다. 주기는 한 번 진동하는 데에 걸리는 시간입니다. 주기의 단위는 초(second)입니다.

 

파장(wavelength)

시간을 고정시키고 공간에 따른 파동의 크기를 측정함으로써 파동의 진폭을 알 수 있습니다. 파도치는 모습을 사진으로 찍었을 때 시간을 고정한 것이고, 파도의 골과 골 또는 마루와 마루 사이의 거리가 파장이 됩니다. 파장의 단위는 m(meter: 미터)입니다.

 

속력(speed)

파동이 얼마나 빨리 전파(propagation)되는지의 정도가 파동의 속력(speed)입니다. 한 주기 동안 한 파장 진행하는 빠르기가 파동의 속력입니다. (속력) = (파장)/(주기) = (파장)*(주파수). 파도로 생각한다면, 1초 동안 동일하게 1번 진동하는 파도일지라도 A 파도는 앞서간 마루가 저 멀리 있고, B 파도는 앞서간 마루가 가까이 있다면 A 파도가 더 속력이 큽니다. 차량 간격이 다른 두 차선에서  1초마다 톨게이트를 지나간다고 했을 때 차량 간격이 큰 차선의 차들이 속력이 빠른 것에 비유할 수 있습니다. 사진으로 찍어보니 파장이 같은 두 파도가 있는데, C파도보다 D 파도가 빨리 진동한다면 D파도가 더 빠릅니다. 차량 간격이 같은 두 차선에서 톨게이트를 지나는 시간 간격이 짧은 차선의 차들이 더 빠른 것에 비유할 수 있습니다.

 

전자기파(electromagnetic wave)

전자기파를 이야기하려니 아직도 가슴이 조금 떨리네요. 대학 학부에서는 전자공학(Electronics Engineering)을 전공했고, 대학원에서는 세부전공으로 초고주파공학(Microwave Engineering)을 공부했습니다. 초고주파공학도 필드(field)와  회로(circuit)로 나뉘어져 있었는데, 저는 필드 쪽을 주로 공부했습니다. 필드 쪽에서는 3차원 공간에서 전자기파를 다루는 것이고, 회로 쪽은 회로기판에서 전자기파를 다루는 것이라 생각하면 - 정확하지는 않지만 - 얼추 맞는 것 같습니다. 저는 레이더 부품에 관한 연구로 석사학위를 받았습니다만 그 분야의 일은 해보지 못했습니다. 삼성 SDI(입사 당시는 '삼성전관')에서 모니터용 칼라 브라운관을 연구, 개발했습니다. 현재는 대학인강으로 전자기학, 회로이론, 전자회로를 강의하고 있습니다("전자공학 박영기"로 검색하면 쉽게 찾을 수 있습니다^^). 이야기가 옆으로 샜군요...ㅎ

 

도선에 전류(electric current)를 흘리면 도선 주위에 자기장(magnetic field)이 형성됩니다. 전기(electricity)로부터 자기(magnetism)를 만드는 것이지요. 한편, 코일 속으로 자석을 움직이면 코일에 기전력(electromotive force)이 만들어지고, 코일의 양단에 도체를 연결하면 전류가 흐르게 됩니다. 자기장의 변화가 전기를 만드는 것이지요. 이와 같이 전기는 자기를 만들고, 자기의 변화는 전기를 만듭니다. 전기로부터 자기를 만드는 것은 시간에 따른 전류의 변화가 없어도 일어나지만, 자기로부터 전기를 만드는 것은 시간에 따른 자기장의 변화가 있을 때만 일어납니다. 만일, 시간 변화 자기장(time varying magnetic field)이 있다고 하면 이 때문에 시간 변화 전기장(time varying electric field)이 생기고, 이 시간 변화 전기장 때문에 다시 시간 변화 자기장이 생깁니다. 이렇게 전기장과 자기장이 서로 물고 물리면서 전파(propagation)하는 것이 전자기파(electromagnetic wave)입니다.

 

맥스웰 방정식을 풀면 전자기파의 속력이 구해지는데, 이미 알려진 빛의 속도와 같다는 것을 알게 되었습니다. 이로써 전파(radio wave), 적외선(IR: Infrared ray), 가시광선(visible light), 자외선(UV: ultraviolet ray), X선,... 등이 모두 전자기파라는 것을 알게 되었습니다. 전자기파 또한 파동이므로 파동의 성질을 가지고 있습니다.