지난 글에서 빛의 모든 영역들 중에서 우리의 눈으로 인식할 수 있는 보이는 빛인 가시광선을 고대인들은 어떻게 인식했고 변해왔으며, 또 뉴턴의 프리즘 실험을 통하여 빨주노초파남보의 빛의 실체가 드러나는 과정 등을 알아보았습니다
그런데 빛의 실체가 드러난 순간에도 인류는 빛의 여러 영역 중에서 아주 일부분의 영역만을 보고있었습니다
왜냐하면은 모든 빛(전자기파)은 보이는 부분과 보이지 않는 부분으로 이루어져 있고, 우리의 시각은 가시광선만을 인식하도록 만들어져 있기 때문입니다
이것은 마치 어두운 방에서 아주 좁은 틈 사이로 들어오는 빛을 보는 것과 같다고 합니다
그런데 어떻게 보이지 않는 영역의 빛이 발견되어 인류의 삶을 바꾸어놓았을까요
그것은 빛에 대한 탐구의 열정과 우연이 가져다준 선물 때문이었습니다
적외선의 발견
뉴턴이 프리즘으로 여러 가지 색으로된 빛의 실체를 발견하게 된 이 후, 과학자들은 프리즘을 통하여 여러가지 방법으로 빛을 탐구하였는데, 1800년 독일 태생의 영국 천문학자였던 프리드리히 빌헬름 허셀은 분광기를 통과한 빛의 각각 의 색의 온도를 측정하는 실험을 하였습니다
허셀은 빛의 각 색에 온도계의 끝 부분을 놓았는데, 온도가 가장 높은 색은 빨강이었고 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라 순으로 가면서 온도가 낮았습니다
그런데 그는 의도치 않게 온도계 하나를 빨간색에서 벗어난 영역에 하나를 놓았는데, 이상하게 그 부분의 온도계의 온도가 빨간색보다 온도가 높은 것을 발견하였습니다
허셀은 이 현상을 확인하기 위해서 여러 가지 온도계로 이 부분의 온도를 측정하였는데, 어떤 온도계로 측정을 해도 이 부분의 온도가 가장 높았습니다
결국 허셀은 우리의 눈에 보이지는 않지만 또 다른 영역의 빛이 존재한다는 생각에 이르게 되어 보이지 않지만 온도가 가장 높은 이 영역을 빨간색 아래에 존재하는 선이라는 의미에서 적외선 (infra red)이라고 칭하였습니다
적외선의 특징
이렇게 발견된 적외선은 빛의 여러 가지 스펙트럼 중에서 우리가 따뜻함을 느끼게 하는 파장입니다
따뜻함을 느끼는 이유는 적외선의 진동하는 파장이 분자의 진동하는 파장과 잘 맞기 때문입니다
우리가 느끼는 열감은 분자가 전자기파의 진동과 공명할 때, 강한 운동이 일어나서 온도가 올라가서 열감을 느끼는 건데, 적외선은 물질을 이루고 있는 분자와 진동 주파수가 잘 맞기 때문에 분자가 적외선의 진동 에너지를 흡수하게 되고 그러면 분자의 진동과 회전운동이 활발해져서 열에너지를 발생시키는 것입니다
그런데 가시광선의 파장은 분자의 진동 에너지와 잘 맞지 않기 때문에 분자 안에서 열로 이어지는 진동에너지가 거의 일어나지 않아서 열감을 주기보다는, 주로 물질 내부의 전자의 에너지 상태를 변화시키는 역할을 합니다
(예를 들어서 광합성 작용이라든지, 빛을 받으면 사진이 감광되는 현상, 또는 빛에 의해 전자의 변화가 생겨 전기 신호로 변환되는 등의 현상에 이에 해당합니다)
또한 자외선은 에너지가 너무 강해서 피부에 흡수되면 화상이나 화학적 변화를 일으키고, x선이나 감마선은 너무 높은 에너지이기 때문에 세포에 흡수되면 열감은 안 느껴지고 세포가 손상되거나 화학적 변화를 일으킵니다
자외선의 발견
허셀이 가시광선 외의 영역에서 열감을 주는 적외선을 발견 한 다음 해인 1801년, 독일의 의사 겸 화학자인 빌헬름 리터 또한 프리즘을 이용하여 빛을 실험하고 있었습니다
그는 프리즘을 통과한 빛을 사진의 감광유제인 염화은에 닿게 한 다음, 염화은에 어떤 반응이 나타나는지 관찰하였습니다
염화은 가루는 가시광선의 빨간색에서 보라색으로 갈수록 까맣게 변했는데(빨강~보라로 갈수록 파장이 강합니다) 이상하게도 보라색 너머의 지점에는 아무것도 보이지 않았는데 염화은이 더 까맣게 되는 것이었습니다
리터는 아무런 빛도 보이지 않는데 더 까맣게 된다면 그곳에도 분명히 염화은에 반응하는 무엇인가가 있는 것이 분명하다고 생각하였고 실험을 계속하였습니다
리터는 이를 더 확실하게 확인하기 위해서 감광유제 외에 과이악 수지라는 화학물질을 사용하여 실험을 계속하였습니다
과이악 수지는 열대지역에서 자라는 과이악 나무에서 나오는 끈적한 유기물로 특정 조건에서 산화되면 파란색으로 변하는 천연수지입니다
리터는 이 수지를 프리즘을 통과한 빛에 놓았는데 가시광선의 영역에서는 별 다른 반응을 보이지 않았는데 보라색 끝을 넘어선 영역에서는 아주 짙은 청색으로 변하는 것을 확인하였습니다
또한 리터는 염화은 외에 은이 들어간 여러 화합물들로 실험하였는데(염화은은 여러 은 화합물 가운데 하나), 모두 보라색 옆의 영역에서 화학변화가 강하게 일어남을 확인하였습니다
자외선과 화학선
여러 실험을 통해 보라색의 옆 영역에는 또 다른 빛의 영역이 있음을 확인하였고, 이 영역을 화학적인 변화가 일어나는 영역이라는 의미에서 화학선이라고 불렀습니다
이 영역을 현재 부르고 있는 보라색 밖의 선(자외선)이라고 부르지 않고 화학선이라고 불렀던 이유는 빛에 대한 인식이 오늘날과 달랐기 때문입니다
현대에는 모든 영역의 전자기파가 빛이라는 것을 알고 있지만, 당시에는 빨강~보라색 이외의 영역은 빛이 아니다고 인식했었기 때문에 이 부분은 화학반응을 일으키는 영역이라고만 이해해서 화학선이라는 이름으로 칭한 것입니다
그래서 당시의 사람들은 허셀이 발견한 빨강 안의 영역은 빛은 아니지만 열을 내는 영역, 그리고 리터가 발견한 영역은 은 화학적인 변화를 일으키는 영역으로 인식하였습니다
전자기파의 여러 영역 중 적외선과 자외선은 이렇게 뉴턴의 프리즘 실험의 영향으로 빛의 색을 연구하다가 발견하게 되었습니다
이것은 뉴턴이 빛의 실체를 밝혀내고 150년이라는 시간이 흐르는 시간에도 빛에 대한 꾸준한 탐구와 실험을 이어온 열정에 대한 보상이었습니다
그런데 X선과 감마선, 라디오파, 마이크로파는 이와는 다르게 전기를 실험하는 과정에서 드러나게 됩니다
다음 글에서는 X선과 감마선의 영역을 발견하게 된 과정을 알아보겠습니다