屈折率 / refractive index
1. 개요
빛이 서로 다른 매질을 통과하면 그 경계면을 기점으로 빛의 방향이 꺾인다. 이것은 빛의 속력이 어떤 매질을 통과하느냐에 따라 달라지기 때문이다. 빛은 서로 다른 두 지점을 이동할 때 최단 시간에 도달하도록 경로를 정하는 성질이 있다. 이때 빛이 꺾이는 정도를 상대적으로 나타낸 것이 굴절률이다. 굴절률은 일반적으로 빛의 파장에 따라서 달라진다.이 단어가 처음 등장한 것은 나폴레옹 전쟁이 말엽인 1807년에 영국 과학자, 의사, 물리학자, 생리학자, 언어학자인 토마스 영이 제시한 것으로 프란시스 하우크스비, 찰스 허튼 등이 수정하여 발표되었다.
2. 상대 굴절률
빛이 매질 A에서 매질 B로 이동할 때 A에서의 속도를 Va, B에서의 속도를 Vb라 하면 매질 A에 대한 B의 상대굴절률 nab는 다음과 같이 정의된다.[math(n_{ab} = \dfrac{v_a}{v_b})]
2.1. 성질
입사각을 θa, 굴절각을 θb, 매질 A에서의 파장을 λa, 매질 B에서의 파장을 λb라 하면 스넬의 법칙에 의해 다음과 같은 식이 성립한다.[math( \displaystyle n_{ab} = \frac{v_a}{v_b} = \frac{\sin\theta_a}{\sin\theta_b} = \frac{\lambda_a}{\lambda_b} )]
3. 절대 굴절률
진공에서의 빛의 굴절률을 1로 두고 다른 물질들의 굴절률을 계산한 것을 절대굴절률이라 한다.[math( n = \frac{c}{v} )]
이때 v는 물질 내에서 빛의 위상속도[1]이다. 빛은 진공에서의 속력이 가장 빠르기 때문에 일반적으로 물질의 굴절률은 1보다 크다.
그러나 빛의 위상속도는 정보를 전달하지 않아 광속보다 빨라도 특수 상대성 이론에 위배되지 않기 때문에 굴절률이 1보다 작은 값을 지니는 것도 가능하다. 실제로 금속이나 플라즈마는 1보다 작은 굴절률을 갖는다.[2]
3.1. 여러 가지 물질의 절대굴절률
통상적 의미의 절대 굴절률은 나트륨(Na)의 D-선 ([math(\lambda)] = 589nm, 노란색)에 대한 굴절률이다. 물질의 굴절률은 빛의 파장에 따라 바뀐다.[파장이다를때] 이 때문에 색수차가 발생한다.| 물질 | 절대굴절률 |
| 진공[4] | 1 |
| 공기 | 1.0003 |
| 얼음 | 1.31 |
| 물 | 1.33 |
| 이산화규소 | 1.46 |
| 사염화탄소 | 1.46 |
| 벤젠 | 1.50 |
| 소금 | 1.54 |
| 산화알루미늄 | 1.77 |
| 질소화붕소 | 2.17 |
| 다이아몬드 | 2.419 |
4. 기타
- 글래드스톤-데일 방정식: 굴절률과 매질의 밀도의 관계를 정의하는 방정식.
[1] 파의 골, 마루가 진행하는 속도, 파 덩어리가 진행하는 속도인 군속도와는 구분되는 개념이다.[2] 금속에 의한 빛의 굴절은 X선 영역에서 잘 관찰할 수 있는데, 금속 표면에 X선이 매우 큰 입사각으로 입사할 경우 전반사에 의한 반사가 일어난다. 때문에 X선 망원경을 설계할 때 이를 이용하여 반사경을 입사각이 매우 큰 원뿔형으로 설계해 전반사를 이용하여 X선을 반사시킨다.[파장이다를때] https://refractiveindex.info/[4] 당연히 물질이 아니나 기준이란 특수성 때문에 삽입