우리가 바라보는 세상은 수많은 색으로 가득 차 있습니다
그런데 조금 더 자세히 들여다 보면 세상을 이루는 가장 기본적인 물질들은 대부분 눈에 띄는 색을 가지고 있지 않습니다 공기를 이루는 질소와 산소, 물을 이루는 수소와 산소, 그리고 많은 무색의 광물들은 우리의 눈에 투명하게 보이거나 무채색으로 보입니다
만약, 세상을 이루고있는 모든 물질이 다 색을 가지고 있었다면 우리가 지금 보고 있는 풍경처럼 아름답고 조화롭게 느껴지지 않았을지도 모릅니다
우리가 항상 보는 투명한 하늘과 물 그리고 흰 구름은 우리의 시야를 정리해주고, 또 항상 눈과 마음에 청량감을 주는 초록 때문에 때를 따라서 아름답게 피어나는 꽃들의 화려함과 화사함이 더욱 아름답게 느껴지는 것 같습니다
그런데 왜 어떤 물질들은 색을 가지고, 어떤 물질들은 투명한 물질이 되는것일까요
현대과학은 물질의 내부을 들여다보면서 그 비밀을 풀게 되었습니다
공기가 투명한 이유
이 세상은 우리 눈에는 보이지 않지만 공기로 가득 차있습니다
공기는 약 78%의 질소(N₂)와 21%의 산소(O₂)로 이루어져 있는데, 산소가 하는 역할은 호흡을 통해서 우리 몸속으로 들어와서 우리가 섭취한 영양분들은 천천히 연소시켜서 우리 몸에 에너지를 주는 역할을 합니다
또한 질소는 산소의 연소과정이 너무 빨리 진행되지 않도록 양으로서 산소를 희석하는 역할을 하고 있습니다
그런데 산소와 질소를 이루고 있는 전자들은 우리에게 색을 느끼게 하는 물질들에 비해서 전자가 원자에 강하게 묶여있는 구조로 되어있습니다
지난 글에서도 알아보았듯이 우리가 색을 느끼는 것은 태양으로부터 온 가시광선이 물질의 내부에 있는 전자와 만나면서부터 시작됩니다
전자와 만난 가시광선은 전자의 에너지 준위를 높일 만큼 충분한 에너지를 가진 파장이면 흡수가 되고, 그렇지 못한 파장이면 반사가 됩니다
그리고 반사된 파장은 우리 눈으로 들어와 원추세포를 자극하고, 그 자극이 전기신호가 되어 뇌로 전달되면서, 뇌가 이 정보들을 종합해서 색의 감각을 만들어내는 것이었습니다
그런데 공기 중의 산소와 질소의 전자들은 가시광선이 와도 반응을 할 수 없을 정도로 원자에 강하게 결합되어 있기 때문에 전자와 가시광선은 전혀 상호작용이 일어나지 않고, 빛은 그냥 물질을 통과해 버립니다
즉 우리 눈의 원추세포를 자극할 재료인 파장 즉, 우리가 색을 느끼는 감각을 깨 울 수 있는 재료가 없기 때문에 공기가 투명하게 보이는 것입니다
즉 우리가 색을 느낄 수 있는 것은 물질 속에 있는 전자와 가시광선(빛)의 작용 때문입니다
나무와 꽃을 예로 들어보겠습니다
나무와 꽃도 본질로 들어가면 결국은 원자핵과 전자로 이루어진 물질입니다
나무와 꽃을 이루는 주요 성분은 물, 셀룰로스, 리그니, 전분, 당, 엽록소, 카로티노이드, 안토시아닌등으로 되어있는데, 이 중에서 우리의 눈에 색을 느끼게 해 주는 원소들은 엽록소와 카로티노이드, 안토시 아닌 뿐입니다
가시광선이 나무와 꽃에 입사되면 엽록소 안의 전자들이 반응을 해서 빨강과 파랑을 흡수하고 초록을 반사합니다
그리고 카로티노이드는 파란색과 청록색 계열의 빛을 흡수하고 노란색, 주황색 계열이 빛을 반사합니다
(참고로 나뭇잎이 여름에는 엽록소가 많아서 초록색으로 보이는데, 가을이 되면 엽록소가 분해되어 초록색이 사라지면, 원래 잎 속에 있던 카로티노이드가 드러나면서 노란색과 주황색의 잎이 되는 것입니다)
안토시아닌은 청록색과 녹색 계열의 빛을 흡수하고 빨간색과 보라색 계열의 빛을 반사합니다
이렇게 물질 안의 전자들이 가시광선과 상호작용하여 흡수하고 남은 빛을 반사함으로써 우리 눈에 자극을 주고 그 자극이 신호가 되어 우리가 색을 느끼는 것입니다
나무의 기둥이 갈색으로 보이는 것도 같은 원리 때문입니다
나무의 기둥은 셀룰로스와 리그닌, 탄닌, 플라본이 드로 구성되어 있는데, 나무의 40~50%는 셀룰로스로 되어있습니다
하지만 셀룰로스의 전자들은 가시광선과 거의 반응을 하지 않기 때문에, 나무의 색을 만드는 데는 큰 역할을 하지 않고, 나머지 리그닌, 탄닌, 플라보노이드 등의 성분에 들어있는 전자들이 가시광선과 반응하여 나무 특유의 갈색과 황갈색 계열의 색을 만들어내는 것입니다
세상의 모든 물질이 다 전자를 가지고 있지만, 모든 전자가 다 빛과 만나서 색을 만들어내는 것은 아니고, 가시광선이 움직일 수 있는 전자들과만 반응하여 색을 만들어내는 것입니다
그런데 종이는 가시광선과 전혀 반응하지 않는 셀룰로스로 되어있는데, 모든 빛을 반사해서 만들어지는 흰색을 띠는 이유는 무엇일까요
종이는 수없이 많은 셀룰로스의 섬유로 이루어져 있고, 그 사이사이에 공기층이 복잡하게 얽혀있습니다
그래서 빛이 이 섬유들 사이로 들어오면, 수많은 섬유와 공기층에 부딪쳐서 여러 방향으로 난반사(산란)되어 거의 모든 색이 우리 눈으로 들어오기 때문에 우리 눈에서 흰색으로 보입니다
물이 투명한 이유
물도 세상을 이루는 가장 기본적인 물질 중의 하나인데, 수소와 산소로 결합되어 있습니다
그런데 이 들 분자들 속의 전자 또한 매우 안정된 상태를 이루고 있어서 가시광선 정도의 에너지로는 쉽게 들뜨거나 반응을 하지 않아서, 대부분의 가시광선이 물 분자를 그대로 통과해 버리기 때문에 물이 투명하게 보이는 것입니다
그런데 많은 물들이 모인 바다는 왜 청색과 에메랄드 빛을 띠는 걸까요
물 분자는 빨간색 계열, 특히 파장이 긴 빨간빛을 아주 약하게 흡수하는데, 물이 조금 있을 때는 그 흡수가 너무 약해서 우리가 일상에서 보는 물에서는 거의 느낄 수가 없습니다
그러나 바다처럼 물이 수십 미터, 수백 미터씩 모여있는 곳에서는 아주 조금 흡수되던 빛이 쌓이고 쌓여서 나중에는 주황빛과 노란빛도 흡수되게 됩니다
그러면 결국에는 파란빛과 청록빛만이 남아서 깊은 바닷물이 청색이나 에메랄드빛을 띠는 것입니다
마치 유리의 한 장은 투명하게 보이지만 여러 장을 겹쳐놓으면 점점 어두워지는 것과 같은 현상입니다
유리가 투명한 이유
이러한 원리는 투명한 모든 물질에 적용되는데, 유리를 이루는 주성분인 이산화규소도 전자가 원자와 강하게 묶여있
기 때문에 가시광선이 전자들과 상호작용하지 않고 대부분 통과하여서 투명해 보입니다
그런데 유리도 두꺼운 유리가 잘라진 절단면을 보면은 가장자리가 초록빛이 도는 경우가 많은데, 이것도 흡수되고 남은 빛들이 쌓인 결과입니다
유리에는 철과 같은 불순물들이 소량 섞여있는데, 철 성분 안에 있는 전자는 빨간색 계열의 가시광선을 조금씩 흡수합니다 그래서 유리를 한 장으로 볼 때는 거의 티가 나지 않지만, 여러 겹으로 겹쳐지면 빨간빛이 계속 흡수되고 남은 녹색 계열의 빛만이 남게 되는데 이 빛이 우리 눈으로 들어와서 옅은 녹색으로 보이게 되는 것입니다
다이아몬드는 왜 투명하고 반짝일까
다이아몬드가 유리랑 다른 점은 사방으로 빛나는 다채로운 색의 광채 때문 일 것입니다
다이아몬드가 투명한 이유도 다른 투명한 물질들과 같은 원리이지만 빛이 사방으로 반사되는 이유에는 다른 원리가 숨어있습니다
다이아몬드는 탄소원자로 이루어져 있는데 다이아몬드가 사방으로 빛을 내는 이유는 이 탄소원자로 이루어진 분자가 구조 때문입니다
다이아몬드는 탄소원자 하나가 중심점에 있고, 나머지 4개의 탄소원자가 중심에 있는 원자를 중심으로 정사면체 모양으로 연결되어 있습니다
그리고 이러한 구조는 촘촘하게 연속적으로 연결되어 있어서, 만약 빛이 다이아몬드 안으로 들어오면 마치 촘촘하게 짜인 3차원 미로를 지나는 것과 같아서 빛의 경로가 계속 꺾이게 됩니다
또한 수많은 전자들과 계속 만나지게 되는데, 이때 빛 자체가 가진 전기장의 성질 때문에 전자들이 영향을 받아 미세하게 진동을 하게 됩니다(이 진동은 에너지 준위를 높이는 흡수 과정과는 다른 현상입니다)
이 미세한 진동은 다시 전자기파(빛)를 만들어내는데, 다이아몬드는 내부에서의 굴절률이 매우 높고 또 내부 구조가 규칙적이어서 이 빛이 여러 방향으로 빠져나오기때문에 이 빛이 우리 눈에 들어오면서 특유의 무지개처럼 반짝이는 아름다운 광채를 만들어내는것입니다
마무리
우리가 날마다 보는 세상은 세상은 아주 다채로운 물질들로 이루어져 있습니다
투명한 물질들을 배경으로 아름다운 색들이 채색되어 있고, 또 반짝임으로 그 아름다움을 더 빛나게 하고 있는 그 이면을 들여다보니 이 모든 특성들이 서로 달라보이지만 전자와 빛의 만남이라는 공통된 원리가 작용되고 있었습니다
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