굴절률 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Refraction photo.png|섬네일|플라스틱 블록에 [[굴절]]되고 있는 [[광선]].]]
'''굴절률'''(屈折率, {{llang|en|refractive index}})은 투명한 매질로 빛이 진행할 때, [[빛의 속도|광속]]이 줄어드는 비율을 가리킨다. 진공중에서의 광속을 <math>{c}\,</math>라고 하면 굴절률이 <math>{n}\,</math>인 [[매질]] 내에서 빛의 속도는 <math>\,\frac c n</math>으로 줄어든다. 예를 들어 굴절률 1.5인 [[유리]]에서의 광속은 <math>\frac c {1.5} = 0.67c</math>이다.

굴절률이 서로 다른 매질의 경계면에서는 빛이 [[스넬의 법칙]] {{math|1=''n''<sub>1</sub> sin ''θ''<sub>1</sub> = ''n''<sub>2</sub> sin ''θ''<sub>2</sub>}}에 따라 휘게 되며, 입사각에 따라 일부는 [[반사]]하게 된다.

굴절률은 또한 계면에서 반사되는 빛의 양과 [[전반사]]가 발생하는 임계각을 결정하며, [[프레넬 방정식]]에 따라 반사 및 투과의 강도와 [[브루스터 각]]도 정의한다.<ref name="Hecht">{{서적 인용|title=Optics|author=Hecht, Eugene|year=2002|publisher=Addison-Wesley|isbn=978-0-321-18878-6}}</ref>

굴절률은 [[파장]]에 따라 달라질 수 있다. 이러한 특성으로 인해 [[백색광]]이 굴절될 때 여러 색으로 분리되는데, 이를 [[분산 (광학)|빛의 분산]](dispersion)이라고 한다. 분산 현상은 [[프리즘]]이나 [[무지개]]에서 쉽게 관찰할 수 있으며, [[렌즈]]에서는 [[색수차]]로 나타난다. 또한 특정 물질의 굴절률을 단일 값으로 표기할 때는 반드시 측정에 사용된 파장을 명시해야 한다.

빛이 흡수성 물질을 통과할 때는 [[파동 방정식]]을 응용하여 [[복소수]] 형태의 굴절률로 설명할 수 있다. 이때 실수 부분은 빛의 굴절을 담당하고, 허수 부분은 빛의 감쇠(attenuation)를 설명한다.

굴절률 개념은 [[전자기파]] 외에도 [[음파]]를 비롯한 모든 파동 현상에도 적용될 수 있다. 소리의 경우 빛의 속도 대신 [[음속]]이 사용되며, [[진공]]이 아닌 다른 기준 매질을 선택해야 한다.<ref name="Kinsler">{{서적 인용|url=https://archive.org/details/fundamentalsacou00kins_265|title=Fundamentals of Acoustics|last=Kinsler|first=Lawrence E.|year=2000|publisher=John Wiley|page=[https://archive.org/details/fundamentalsacou00kins_265/page/n151 136]|isbn=978-0-471-84789-2|url-access=limited}}</ref>

== 정의 ==
굴절률 <math>{n}\,</math>은 [[빛]]의 [[위상속도]] <math>{c}\,</math>와 [[물질]] 내에서의 위상속도 <math>v_{\mathrm ph}\,</math>의 비로 정의된다.
:<math>n = \frac{c}{v_{\mathrm ph}}</math>

== 빛과 매질의 교차 ==

빛이 입자나 파동으로 생각할 수 있듯, 광학에서는 파동으로 다룬다. 파동은 다른 매질에서 다른 속도로 진행한다. 예를 들어, 물을 통과할때의 속도와 공기를 통과할 때 속도에는 차이가 있다. 빛이 하나의 매질에서 다른 매질로 넘어 통과할 때, 같은 파동이 다른 속도로 진행한다. 이 과정을 다음과 같이 생각할 수 있다. 빛 파동이 투명한 물질로 들어가고 그 물질을 이루는 원자들의 전자들을 여기시킨다. 여기된 전자들은 그 고유의 빛 파동을 방출한다. 원자들 사이에서 빛은 빛의 속도(<math>c = 3 \times 10^8 \mathrm{m/s}</math>)로 진행한다. 그러나 유리의 경우, 빛의 속도는 약 <math>2 \times 10^8 \mathrm{m/s}</math>이다.

굴절률은 빛의 전파속도 뿐만이 아니라, [[굽힙각|굽힘각]](bending angle)과 물질에 의해 전파와 굴절된 양으로 기술된다. 또한 [[브루스터 각]](Brewster angle), 편광이 완전 흡수 될 때의 [[슬런트 각]](slant angle)으로 정의된다.

각 매질로 부터의 빛의 반사되는 양은 접촉면에서의 굴절률 변화의 제곱에 비례한다:

:<math>R = \left[ \frac {n_1-n_2}{n_1+n_2} \right]^2</math>

공기와 유리의 굴절률은 각각 <math>n_1 = 1,\ n_2 = 1.5</math>이다.
그러므로 빛의 반사된 양은 약 4%이다.

== 원리 ==
원자 규모에서 전자기파의 [[위상 속도]]가 물질 내에서 느려지는 이유는, 전기장이 매질의 [[전기 감수율]]에 비례하여 각 원자의 전하(주로 전자)에 교란을 일으키기 때문이다. 비슷하게, 자기장도 매질의 [[자기 감수율]]에 비례하여 전하에 영향을 준다.

[[전자기파]]에서 [[전자기장]]은 진동하며, 이에 따라 매질 내 [[전하]]들은 동일한 주파수로 앞뒤로 흔들리게 된다.<ref name="Hecht2">{{서적 인용|title=Optics|author=Hecht, Eugene|year=2002|publisher=Addison-Wesley|isbn=978-0-321-18878-6}}</ref>{{rp|67}} 이러한 움직임은 원래의 전자기파와 같은 주파수를 갖지만, 일반적으로 [[위상 지연]]이 발생한 새로운 전자기파를 방출하게 한다. 이는 전하들이 진동을 유도하는 힘과 위상이 어긋나게 움직이기 때문이다 ([[조화 진동자]] 문서 참고).

매질을 통과하는 빛은 이러한 모든 전하들이 방출한 전자기파가 원래의 빛과 합쳐진 결과로 나타난다. 즉, 원래의 파동과 전하 진동으로 방출된 파동이 거시적으로 중첩된 결과이다. 이 파동은 일반적으로 주파수는 같지만 파장이 짧아져 위상 속도가 느려지게 된다. 하지만, 전하의 진동으로 인해 방출된 에너지 중 일부는 다른 방향으로 퍼지거나 다른 주파수로 방출되기도 하는데 이를 [[산란]]이라고 한다.
원래의 빛과 전하들이 방출하는 빛 사이의 위상 차이에 따라 다양한 결과가 발생한다:

# 90° 위상 차 (정상 굴절, Normal Refraction):
#* 전자들이 원래의 빛보다 90도 느리게 빛을 방출하면, 전체 빛의 속도가 느려진다.
#* 이는 유리나 물과 같은 투명한 물질에서 일반적으로 나타나는 정상 굴절이다.
#* 실수이면서 1보다 큰 굴절률을 가진다.<ref name="Feynman, Richard P. 2011">{{서적 인용|title=Mainly Mechanics, Radiation, and Heat|last=Feynman|first=Richard P.|date=2011|edition=The New Millenium|series=Feynman Lectures on Physics|volume=1|publisher=Basic Books|isbn=978-0-465-02493-3}}</ref>
# 270° 위상 차 (비정상 굴절, Anomalous Refraction):
#* 전자들이 270도 느리게 빛을 방출하면, 전체 빛의 속도가 더 빨라진다.
#* 이는 기체의 흡수선 근처(주로 [[적외선]] 영역), [[X선]], 지구의 [[전리층]]에서의 라디오파에서 관찰된다.
#* [[유전율]]이 1보다 작아져 굴절률도 1보다 작아지고, 위상 속도가 진공 속도(c)보다 커진다.
#* 금속이나 [[플라즈마]]와 같은 매질에서 매우 강한 반응이 발생하면, 유전율이 음수가 되어 허수 굴절률이 나타난다.<ref name="Feynman, Richard P. 2011" />
# 180° 위상 차 (흡수, Absorption):
#* 전자들이 180도 어긋나서 빛을 방출하면, 원래의 빛과 [[상쇄 간섭]]을 일으켜 빛의 세기가 줄어든다.
#* 이는 불투명한 물질에서 빛의 흡수로 나타나며, 허수 굴절률과 관련이 있다.
# 0° 위상 차 (증폭, Amplification):
#* 전자들이 원래의 빛과 동일한 위상(in phase)으로 빛을 방출하면, 빛이 증폭된다.
#* 자연에서 드문 현상이지만 [[레이저]]에서의 [[유도 방출]]에서 발생한다.
#* 흡수와는 반대 부호를 가진 허수 굴절률을 나타낸다..

== 같이 보기 ==
* [[빛의 속도]]
* [[전반사]]
* [[복굴절]]

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
* [http://www.luxpop.com/ Luxpop: Thin film and bulk index of refraction and photonics calculations ] {{웹아카이브|url=https://web.archive.org/web/20100427033426/http://www.luxpop.com/}}

{{전거 통제}}
[[분류:광학]]
[[분류:광학 상수]]
[[분류:이차조화파]]
[[분류:물리학 개념]]