1. 빛과의 만남 (4학년)
빛은 우리 주변에 늘 가까이 존재한다. 어둠속에는 빛이 없을까? 그런데 빛이 있 음을 어떻게 알 수 있을까? 어떻게 많은 물건들이 색깔을 가지게 되었을까? 너무 당연하게 생각해 온 것이지만 왜 그럴까 하는 의문이 생긴다. 우리가 한번쯤은 생 각해 보았던 빛에 대한 궁금증을 이제부터 살펴보자.
2. 빛을 분류해 볼 수 있을까? (11학년)
세상에 존재하는 빛은 파장으로 구분하는데. 이를 '전자기파'라고 한다. 전자기파 는 그 파장의 특성에 따라 감마선, X선, 자외선, 가시광선(흔히 빛이라고 불림), 적 외선 마이크로웨이브, 라디오 전파로 나뉜다. 이 중 인간이 볼 수 있는 전자기파는 가시광선인데, 수많은 파장 대의 전자기파 중 하나에 불과하다. 전자기파가 가지고 있는 파장은 건물만한 것부터 원자핵만한 것까지 다양하다. 파장이 길수록 거의 모 든 사물을 뛰어넘어 멀리 전파되기 쉽다. 반면 파장이 짧으면 멀리 전파되지는 못 하지만 직진성과 투과력은 높다. 이러한 파장은 가시광선을 거쳐 감마선으로 갈수 록 짧아진다.
3. 투과력이 강한 감마선을 어떻게 막을 수 있을까? (11학년)
투과력이 가장 강한 전자기파는 감마선인데 이는 핵이 분열될 때에 나오는 방사 선 중 하나이다. 감마선을 막기 위해서는 금속판보다 두꺼운 콘크리트 판을 사용하 는 것이 적합하다. 금속은 원자들이 일정하게 배열된 결정구조로 이루어져 감마선 이 통과할 수 있는 통로가 많지만, 콘크리트는 원자들이 불규칙하게 배열된 구조로 이루어져 있어 감마선 노출에도 치명적이다. 이 때문에 감마선은 식품이나 의약품 의 멸균처리 및 의료용 치료에도 활용되고 있다.
4. X선은 어떻게 활용될까? (11학년)
X선(X-ray)이란 전자가 빠른 속력으로 금속을 이루는 원자와 충돌했을 때 발생하 는 전자기파이다. 감마선보다 파장이 길고 자외선 보다 파장이 짧은 X선은 금속처 럼 밀도가 높은 물질은 통과하지 못하지만 인간의 근육이나 동물의 가죽, 플라스틱 과 같은 무른 재질의 물질은 통과할 수 있다. 이런 특징 대문에 X선은 우리 몸 내 부를 사진으로 찍어 결핵, 암, 위장병 등의 질병을 알아내거나 뼈가 부러졌거나 어 긋났는지를 확인하는 데 이용된다. 또한 오래된 예술품을 감정하는 데에도 쓰이는 데 다른 사람이 그림을 부분적으로 덧칠했는지의 여부를 판독하는데 활용된다.
5. 자외선은 어떻게 활용될까? (11학년)
자외선은 가시광선 영역의 보라색보다 파장이 짧은 영역의 전자기파이다, X선보 다는 파장이 길어서, 금속은 물론이고 피부나 플라스틱도 투과하지 못한다. 또한 우리 몸이 자외선에 장시간 노출되면 피부에 손상을 입거나 피부암에 걸릴 수도 있다. 자외선은 일반적인 물건에 닿으면 아무반응 없이 반사되거나 산란 되지만 형 광염료에 닿으면 형광현상을 발생시키는 독특한 성질을 가지고 있다. 이러한 자외 선의 형광반응을 이용하여 위조지폐를 감식한다.
6. 무지개 관찰 시 가장 위쪽의 색깔은 무엇일까? (8학년)
우리 눈에 보이는 전자기파는 가시광선인데, 이는 파장에 다라 서로 다른 색깔을 띠고 있다. 파장이 긴 쪽부터 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색으로 나타 난다. 우리가 흔히 알고 있는 무지개는 바로 이 가시광선이 물방울을 만나 굴절과 반사가 일어날 때 생기는 현상이다. 빛은 파장에 따라 굴절 정도가 다르며 파장이 긴 빨간색은 조금 꺾이고, 파장이 짧은 보라색 빛은 많이 꺾임으로써 혼합된 가시 광선이 ‘빨주노초파남보’ 순서로 분리되어 무지개 형상이 나타나는 것이다.
7. 적외선이 활용되는 곳은 어디일까? (11학년)
전자기파를 파장에 따라 분류할 때, 가시광선의 빨간색보다 파장이 긴 쪽 바로 바 깥에 위치한다고 하여 적외선이라고 한다. 적외선은 눈으로 볼 수 없으나, 사람을 비롯해 열을 방출하는 물체들은 적외선을 내뿜고 있다. 그래서 적외선을 볼 수 있 는 특수 안경을 쓰면 캄캄한 밤에도 사람이나 물체를 알아볼 수 있다. 적외선을 활 용한 대표적인 것이 적외선 카메라이다. 적외선 카메라는 피사체의 온도가 높을수 록 더욱 짧은 파장의 적외선이 방출된다는 점을 응용하여 적외선의 파장을 특정한 색들로 구분해서 표시하기도 한다.
8. 전자레인지는 어떻게 음식을 익힐 수 있을까? (11학년)
전자레인지에 쓰이는 전자기파를 마이크로파라 한다. 파장은 1mm에서 1m 정도 까지인데 적외선 보다 길다. 대부분의 음식물은 극성을 띠는 물분자(수분)를 포함 하고 있다. 극성이란 양극이나 음극과 같은 극을 말한다. 물분자가 양극이나 음극 을 띠게 되면 이들은 서로 결합하려고 하는데 이때 마이크로파를 쏘이게 되면 전 기장이 주기적으로 변하여 물분자를 회전시키게 된다. 물분자들이 회전하면서 마찰 열을 발생시키는데 이 열이 음식물을 익게 하는 것이다. 전자기파는 금속을 통과하 지 못하고 반사되지만 유리나 도자기 등은 자유롭게 통과하므로 그릇 안의 음식을 익힐 수 있다.
9. 전파는 어떻게 만들어지고 어디에 활용될까? (11학년)
전자기파의 일종인 전파는 진동수 3,000~3*1012(주파수 3kHz~3THz)까지의 주 파수 대역을 갖는다. 전기회로에서 발생한 교류 전류가 전선을 따라 흐르면 전자기 장의 변화가 만들어지고 전선이 끊어진 부분에서 전기적 파생이 발생되는데 이런 파장을 주변 공간으로 방출하는 장치를 안테나라 한다. 방출된 전파는 전파를 받아 내는 수신기를 통하여 모아진다. 방송국이나 무전기에서 송출된 전파가 멀리 떨어 져 있는 수신기에 잡힐 수 있는 것은 이 때문이다. 그래서 전파는 주로 아마추어 무선통신(HAM), 라디오 방송, 원거리 선박통신 및 항공기통신과 같은 여러 무선 통신에 사용된다. 안테나를 따라 흐르던 전류에 의해 전파를 만드는 것과 반대로 안테나에 전파를 가하면 안테나 부위에 약한 전류가 흐르게 된다. 이 전시물의
LED는 휴대 전화기에서 발생되는 전자기파를 안테나에서 수신할 때 발생한 전류 로 켜지는 것이다.
10. 빛으로 바람개비를 돌릴 수 있을까? (11학년)
라디오미터는 빛과 열이라는 두 가지 힘에 의해 돌아간다. 라디오미터가 빛을 받 으면 검은면 모든 파장의 빛을 흡수하고 흰 면은 모든 파장의 빛을 반사한다. 그런 데 빛은 에너지로서 ‘광자’ 라는 입자로 이루어져 있다. 광자는 빛을 흡수하는 면보 다 반사하는 면에 압력을 더 주기 때문에 라디오미터는 흰 면에서 검은 면 쪽으로 회전하게 된다. 열 또한 라디오미터를 돌리는 데 한 몫을 한다. 라디오미터의 검은 면은 흰 면보다 열을 더 흡수하여 상대적으로 뜨거워지는데, 이대 검은 면에 부딪 힌 공기 입자들이 흰 면에 부딪히는 공기 입자들보다 더 큰 압력으로 바람개비를 밀게 된다. 빛의 입자인 광자로 인해 흰 면에서 검은 면으로 받은 압력보다 열에 의한 공기 입자들의 충돌로 인해 검은 면에서 흰 면으로 받게 되는 압력이 더 커 지므로 바람개비는 검은면에서 흰면 쪽으로 회전하게 된다. 그렇다면 진공상태에서 라디오미터는 어떤 방향으로 회전하게 될까? 진공상태에서는 열이 발생하여도 부 딪히는 공기 입자가 없기 때문에 라디오미터는 결국 광자에 의한 회전력으로 돌아 간다. 따라서 진공 속에서는 앞쪽의 경우와 같이 흰 면에서 검은 면 쪽으로 회전하 게 된다.
11. 빛의 광전효과를 이용하여 비행기를 날릴 수 있을까? (11학년)
진공관 속에 금속판 두 개를 놓고, 바깥쪽으로 전선을 연결해 놓으면, 진공관 안 쪽의 금속판이 서로 떨어져 있기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 그런데 금속판의 한쪽에 특정 파장보다 짧은 파장을 가진(따라서 높은 에너지를 가진)빛을 비추면 놀랍게도 전류가 흐르게 된다. 이런 현상을 광전효과라 하는데, 이는 금속 등의 물 질이 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다. 광전효과를 이용하여 전 기를 생산하는 것이 태양전지판이다. 텔레비전, 태양전지, 사진노출계, 도난경보기, 자동문, 우주에서 활약하고 있는 인공위성도 빛을 전기로 만드는 ‘광전효과’를 이용 한 것이다.
12. 빛은 어떻게 이동할까? (11학년)
진공관 속에 금속판 두 개를 놓고, 바깥쪽으로 전선을 연결해 놓으면, 진공관 안 쪽의 금속판이 서로 떨어져 있기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 그런데 금속판의 한쪽에 특정 파장보다 짧은 파장을 가진(따라서 높은 에너지를 가진)빛을 비추면 놀랍게도 전류가 흐르게 된다. 이런 현상을 광전효과라 하는데, 이는 금속 등의 물 질이 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다. 광전효과를 이용하여 전 기를 생산하는 것이 태양전지판이다. 텔레비전, 태양전지, 사진노출계, 도난경보기, 자동문, 우주에서 활약하고 있는 인공위성도 빛을 전기로 만드는 ‘광전효과’를 이용 한 것이다.
13. 두 파동의 빛이 만나면 무슨 무늬가 생길까? (8학년, 12학년)
두 파동이 만나 서로 합쳐지면서 파동의 모습이 변하는 현상을 '간섭' 이라고 한 다. 빛도 파동이므로 간섭 현상이 일어난다. 두 파동이 만났을 때, 두 파동의 위상 이 같으면(진동 방향이 같으면) '보강간섭' 이 되어 진폭은 더 커지고, 두 파동의 위상이 다르면(진동 방향이 다르면) '상쇄간섭'이 되어 진폭은 더 작아진다.
14. 빛의 회절 현상은 왜 나타날까? (11학년)
빛은 입자성과 파동성을 가지고 있으며 빛의 파동적인 성질로 회절, 간년, 편광 등이 있다. 빛이 진행하다 장애물을 만나면 장애물 뒤로 돌아가는 현상이 나타나는 데, 이를 ‘회절’ 이라 한다. 이러한 회절 현상은 파장이 길거나 장애물의 틈 크기가 작을 때 잘 일어나는데 물결파의 회절에서는 슬릿의 폭이 좁을수록, 그리고 파장이 길수록 잘 일어난다.
15. 빛의 편광 현상은 어디에 이용할 수 있을까? (8학년, 12학년)
빛(자연광)은 기본적으로 파동의 진행 방향과 진동 방향이 수직인 형태로 진동하