거울 문서 원본 보기

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[[파일:Mirror.jpg|섬네일|200px|거울에 비친 꽃병.]]

'''거울'''은 [[반사]] 현상을 이용하여 [[물체]]의 모양을 비추어 보는 도구이다. 일반적으로 투명한 [[유리]] 뒤쪽에 [[아말감]]을 바르고 그 위에 습기를 막는 연단을 칠해서 만든다. 종류로는 평면 거울, 볼록 거울, 오목 거울이 있다.

== 역사 ==
[[반사]] 현상이 일어나는 것은 모두 거울이 될 수 있다. 인류가 사용한 최초의 거울은 정적인 [[물|수면]]이었다. 고대에서의 [[청동 거울]]은 제사의 도구로서, 제정일치 사회에서 제사장의 권력을 상징 무구였다. 일본 천황의 [[삼종신기]]에서도 거울이 포함되어 있다.

도구로서의 거울은 오랫동안 가정용품과 장식용품으로 사용되었다. 옛날에는 [[은]], [[청동]], [[철]]등 금속의 표면에 매끈하게 광을 내어 사용하다가, 3세기의 등장한 유리를 덧대 만든 거울이 13-14세기 무렵부터 유행하여<ref>
{{뉴스 인용 |날짜= 2023.5.23 |제목= [신문은 선생님] [사소한 역사] 3세기 로마에서 유리로 만들어… 1670년대 프랑스서 대형 거울 개발|url= https://newsteacher.chosun.com/site/data/html_dir/2023/05/23/2023052300074.html |뉴스=조선일보 |확인날짜= 2023.12.1}}</ref> 16-17세기에 전유럽에 퍼졌다.

== 과학적 원리 ==
[[파일:Super-thin_Mirror_Under_Test_at_ESO.jpg|섬네일|300px|평면보다 더 많은 빛의 정보를 담아내는 볼록거울]]
거울은 거울의 표면에 대해서 입사각과 반사각이 같다. 즉, 거울에 [[수직]]되게 빛을 비추면, 수직되게 빛이 돌아오고, 빛을 기울여서 비추면 빛이 기울어진 각도로 반사가 된다. 이를 [[반사의 법칙]]이라고 한다. 모든 거울은 이 반사의 법칙을 따른다. 거울에 비친 모습은 오른쪽과 왼쪽이 뒤집힌 모습이 된다.

거울의 표면을 어떻게 다듬느냐에 따라 거울의 특성이 달라진다. 거울을 오목하게, 움푹 패이게 만들면 거울을 향해 빛을 쐈을 때, 한 점으로 빛이 모이는 것을 확인 할 수 있다. 반대로, 거울을 볼록하게 만들면 거울을 향해 빛을 쏘았을 때, 모두 밖으로 흩어지는 것을 볼 수 있다.

거울의 빛의 경로는 [[가역성|가역적]]이기 때문에 오목거울에서 빛이 모였던 점에 [[광원]]을 두면, 한 방향으로 빛이 나오게 되고, 볼록거울에서 빛이 흩어진 곳에서 거울을 향해 빛을 쏘개 되면, 처음에 볼록거울에 쏘았던 곳에서 빛을 볼 수 있다.

오목거울은 앞에서 보는 사람 입장에서 모아진 빛이 흩어지게 하고, 볼록거울은 흩어진 빛을 모으는 역할을 하기 때문에, 오목거울을 볼 때는 실제보다 작은 모습을 보게 되고, 볼록거울을 볼 때는 실제보다 큰 모습을 보게 된다.

평면거울은 [[상 (광학)|상]]과 물체가 같은 크기를 갖는다. 평면거울에서 상과 물체는 [[대칭성]]을 갖기 때문에, 평면거울에서 상까지의 거리는 평면거울에서 물체가 떨어진 거리와 같다.

이전에 서술했듯이, 오목거울은 빛을 모으는 역할을 하기 때문에, 볼록렌즈와 비슷한 성질을 공유한다. 오목거울의 상은 물체와 [[초점 (광학)|초점]]의 거리에 따라 실상과 허상으로 나뉘어지는데, 물체가 거울로부터 초점거리보다 먼 곳에 있는 경우 실상이 맺힌다. 실상은 실제로 비치는 상이기 때문에 스크린을 설치했을 때, 상의 모습을 관측할 수 있다. 물체가 거울로부터 초점거리보다 가까이 있는 경우 허상이 맺힌다. 허상은 우리의 눈은 있다고 착각하고 있는 가상의 광선으로 만들어진 상이기 때문에 스크린으로 상의 모습을 관측하기는 커녕, 스크린을 두는 것 자체가 가능하지 않다. 볼록거울의 경우 모든 상이 허상이다.


{{여러그림
| 정렬 = right
| 방향 = vertical
| 머리말 = 거울에서의 상 작도법
| 크기 = 300

| 그림1 = Concavemirror raydiagram 2F.svg
| 설명1 = 오목거울의 작도

| 그림2 = Convexmirror raydiagram.svg
| alt2 = 체크무늬 배경에 색 주사위
| 설명2 = 볼록거울의 작도
}}
상은 [[기하광학]]으로 쉽게 작도할 수 있다. 다음은 상 작도를 위한 기본적인 작도법이다. 물체는 [[광원]]으로 본다.
*물체에서 나온 빛(광선)은 수평하게 거울을 닿는다. 닿는 거울면의 각도에 따라 [[반사의 법칙]]에 맞춰 반사되는 광선을 그린다.
*물체에서 나온 빛은 [[초점 (광학)|초점]]을 지난다. 초점을 지난 빛이 거울에 닿으면 거울면의 각도에 따라 [[반사의 법칙]]에 맞춰 반사되는 광선을 그린다.
*물체에서 나온 빛은 거울의 중심에 닿는다. 축에 수직되는 면을 갖는다고 가정하는 거울의 중심은 축 상에 존재한다고 생각하므로, 축에 대칭하여 반사되는 광선을 그린다.
*반사된 광선들이 교차하는 점을 찾는다. 그 점이 그 물체의 상점이다. 이렇게 만들어진 상은 실상이다.
*교차하는 점이 존재하지 않는다면, 각각의 반사되는 [[반직선]]의 광선을 진행하는 반대방향으로도 그린다. 교차하는 점을 찾는다. 그 점이 그 물체의 상점이다. 그리고, 이렇게 만들어진 상은 허상이다.

실상은 스크린에 비쳐지기 때문에 상을 물체로 보는 다른 광학계를 사용할 수 있다.

위의 설명은 아주 이상적인 거울에서 이상적인 방향으로 서술한 경우로, [[광학 수차|수차]]를 고려하지 않는 거울이다. 일반적으로 오목거울과 볼록거울은 [[원 (기하학)|구형]]에 가깝다고 설명하지만, 이 경우 거울의 경계에서 [[구면수차]]가 발생하게 된다. 실제로 오목거울을 설계할 때, 상황에 따라 [[포물선|포물거울]]이 고려되고, 안전 반사 거울을 만들 때 [[쌍곡선|쌍곡선거울]]로 디자인한다.

거울에 입사하는 광선은 거울면에 따라 광선의 방향이 바뀐다. YZ평면 상에 존재하는 거울에 대해서 3벡터로 주어진 광선은 다음과 같이 방향이 바뀐다.

<math>\begin{pmatrix} x \\ y \\ z\end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} -x \\ y \\ z\end{pmatrix}</math>

이를 이용해 서로 [[직교]]하는 거울 3개로 모든 광선을 입사한 방향과 반대되는 방향으로 반사시키는(도립상) 거울을 만들 수 있다. [[잠망경]]은 평행한 평면 위에 존재하는 두 거울을 적절히 배치해 만든 광학계로 볼 수 있다.

거울에 비친 상은 물체에 대해 면대칭이다. 이를 과학적인 용어로 [[카이랄성]]이라고 부른다. 거울을 지날 때마다 상의 기하학적 위치에 따라 상이 반전된 방향이 달라지기 때문에, 평면거울 2개를 사용하여 반전되지 않는 상을 얻을 수 있다.

=== 재료 ===
거울에는 [[가시광선]]에서의 [[반사율]]이 높은 물질이 필요하다. 이는 대게 [[금속]]인 경우가 많다.

금속이 반사율이 높은 이유는 금속의 특성에 있다. 금속의 경우 [[전도율]]이 높은데, 이는 금속의 결정구조가 다른 물질과 달리, [[이온]] 상태의 원자핵들이 격자형태로 결합하고 있기 때문이다. 금속은 [[최외각 전자]]를 쉽게 주는 구조로 되어 있다. 이 때문에 금속원자는 쉽게 전자를 얻을 수 있고, 금속원자는 서로 모이기 쉽게 된다. 이를 금속 결합이라고 한다.

금속 결합이 된 금속은 표면에는 [[자유 전자]]가 다닌다. 자유 전자는 쉽게 에너지를 얻고 쉽게 에너지를 잃기 때문에, 금속 표면에 크지 않은 광자에너지를 가지고 있는 빛을 쏘면 자유 전자가 [[여기|들뜨고]], 곧바로 에너지를 [[방출|잃는다]]. 이 과정에서 잃은 에너지는 [[광자]] 형태로 전환된다. 이 광자는 전자가 얻은 광자하고 같기 때문에, [[빛]]이 금속에 들어오면 그 빛과 같은 파장의 빛이 나오게 된다.

==== 금속의 색깔이 다른 이유 ====
[[금]]의 경우 [[은]]이나 [[철]]과 달리 반사되는 색깔이 다르다. 이는 [[상대론적 양자화학]]으로 설명된다. 상대론적 양자화학에서 금속의 색깔은 [[상대성 이론]]과 [[원자 오비탈|오비탈]]을 사용해 설명한다. 전자가 빛의 속력에 가깝게 운동하면 전자의 유효질량은 [[상대론적 질량]]으로 기술되는데, 이로 인해 금의 5d 오비탈이 커지고, 6s 오비탈이 작아진다. 따라서 상대론적 효과를 무시했을 때 금의 d-s 오비탈에서의 에너지가 달라지고 전자가 전이할 때 보라색에서 파란색의 영역의 빛을 흡수해서, 금은 노란색에 가까운 색을 띄게 된다.<ref>{{저널 인용 |저자1=Norrby, Lars J. |날짜=1991 |제목=Why is mercury liquid? Or, why do relativistic effects not get into chemistry textbooks? |url=https://archive.org/details/sim_journal-of-chemical-education_1991-02_68_2/page/n49 |저널=Journal of Chemical Education |권=68 |호=2 |쪽=110 |doi=10.1021/ed068p110}}</ref>

==무한 거울==
또한 이와는 달리 거울과 거울을 서로 비춤으로써 무한하게 뻗어가는 공간감을 빛을 이용하여 그 거울 표면에 결상(結像)하게 할 수도 있다. 이 경우  거울은 무한 반복으로 상대편 거울을 반사하여 상을 만들게 되는데 이러한 현상으로 터널 속처럼 보이는 무한 반사를 볼 수 있다.

{| class="wikitable"
|-
| [[파일:Infinity-mirror-woman.jpg|800px]]
|-
| 2개 이상의 거울이 만들어 내는 무한 반사에 의한 터널현상
|}


== 같이 보기 ==
{{위키낱말사전|거울}}
{{위키공용분류}}
* [[렌즈]]
* [[만곡형 거울]]
* [[반사]]
* [[정반사]]
* [[돋보기]]
* [[비너스 효과]]
* [[만화경]]
* [[카스그랭식 망원경]]

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
* [https://if-blog.tistory.com/5969 교육부 블로그-거울의 원리와 이용]
* [https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=chemijhy&logNo=100186153127 전화영의 과학실험- 무한빛거울]
* [https://if-blog.tistory.com/5257 과학의 세계- 거울이 우리의 모습을 비추는 원리는 무엇일까?]

{{전거 통제}}


[[분류:거울| ]]