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빛나는 모든 이를 위한 책: 수능 과학 탐구 영역으로 보는 『코스모스 오디세이』와 『빛의 핵심』 본문

(연재) 사이언스-오픈-북

빛나는 모든 이를 위한 책: 수능 과학 탐구 영역으로 보는 『코스모스 오디세이』와 『빛의 핵심』

Editor! 2020. 12. 11. 14:08

지난주에는 2021학년도 대학수학능력시험이 치러졌습니다. 『빛의 핵심』과 『코스모스 오디세이』를 읽으신 분들이라면 4교시 과학 탐구 영역(물리학 I) 문제들이 왠지 반가우셨을 것입니다. 혹시 전자기파를 파장에 따라 분류한 그래프가 등장했던 첫 번째 문제 기억나시나요? 2020학년도 수능 과학 탐구 영역(물리 I) 역시 전자기파와 파장 그래프가 첫 번째로 나왔고, 진동수가 각기 다른 단색광에서 방출되는 광전자의 운동 에너지 문제(6번 문항)도 있었습니다.

 


2020학년도 수능 과학탐구(물리I) 1번 문항(좌) / 2021학년도 수능 과학탐구(물리I) 1번 문항(우)


『코스모스 오디세이』  164~165 쪽

 

 

태양에서 오는 빛은 여러 가지 색의 파장이 합쳐진 것으로, 우리 눈으로 볼 수 있는 가시광선은 ‘전자기파’라는 보편적인 파동 현상의 극히 일부분입니다. 파동은 어떤 속성이 주기적으로 진동하면서 에너지와 운동량을 동반해 퍼져 나가는 현상을 가리킵니다. 음파는 공기라는 매질이, 수면파는 물이, 지진파는 땅이 진동하며 일정한 속도로 전파되는 파동들로, 전자기파의 경우에는 전기장과 자기장이 동시에 발맞춰 진동하며 1초에 30만 킬로미터라는 엄청난 속도로 퍼져 나가는 현상을 뜻합니다. 전기장과 자기장이 한 번 진동하며 나아가는 거리를 파장이라 하는데, 전자기파는 파장에 따라 분류됩니다. 빛알 하나의 에너지는 전자기파의 진동수에 비례하고 파장에 반비례하기에 가시광선 중에서도 파장이 짧은 파란색 빛알의 에너지가 더 크고 자외선, 엑스선, 감마선 순으로 갈수록 빛알의 에너지가 더욱 커집니다. 지구의 대기가 우주에서 오는 빛의 대부분의 파장을 걸러내고 가시광선과 전파 영역 일부만 통과시켜 지구에 생명이 존재할 수 있게 된 거죠.

 


2021학년도 수능 과학탐구(물리I) 5번 문항


 

빛은 파동일까요, 입자일까요? 5번 문항에서는 빛의 이중성을 다루고 있습니다. 빛을 비추면 금속과 같은 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상(광전 효과)은 오래 전부터 잘 알려져 있었지만 이를 설명한 것은 아인슈타인이 최초였습니다. 그는 기적의 해라 불리는 1905년에 특수 상대성 이론, 광전 효과, 브라운 운동 등 20세기 물리학의 혁명을 가져온 이론들을 발표한 바 있는데 빛이 파동이라는 당시의 고정 관념에서 과감히 탈피해 빛이 일정한 에너지를 가진 알갱이들로 구성되어 있다고 가정하여 광전 효과의 모든 특징을 성공적으로 설명했습니다. 1921년 아인슈타인에게 노벨 물리학상을 안겨 준 광전 효과가 바로 디지털 카메라에서 일반 필름 카메라의 필름 역할을 대신하는 CCD(charge coupled device, 전하 결합 소자)와 같은 광검출기 구현의 물리적 원리가 된 것입니다. 빛이 파동으로서의 속성뿐만 아니라 입자로서의 성질도 가지고 있다고 하는 이 이론은 오늘날 정보 전자 기술이 탄생하고 진화해 오는 데 있어서 근본적 바탕이 된 현대 물리학의 탄생을 알리는 서막이었습니다.

 


2020학년도 수능 과학탐구(물리I) 10번 문항(좌) / 2021학년도 수능 과학탐구(물리I) 15번 문항(우)


 

광섬유에 사용되는 물질들의 굴절각을 비교하는 문제(2021학년도 15번, 2020학년도 10번)도 있었습니다. 광섬유의 클래딩(cladding)과 코어(core)로는 어떤 물질을 사용해야 할까요? 빛은 굴절률이 서로 다른 두 물질 사이의 경계에서 일부는 반사되고 일부는 투과되면서 굴절되는 성질이 있습니다. 빛이 특정한 조건에서 굴절률이 큰 매질에서 빠져나오지 못하는 내부 전반사 현상은 다양한 광학 소자에서 매우 유용하게 사용되는데 광통신에 사용되는 광섬유가 가장 대표적입니다. 광섬유를 구성하는 유리 가닥은 가운데 있는 굴절률이 큰 코어라는 유리 재질을 굴절률이 다소 작은 클래딩이라는 유리가 감싸는 구조를 이룹니다. 따라서 굴절률이 큰 코어에 적절한 각도로 빛(적외선)을 넣으면 코어와 클래딩의 계면에서 계속 내부 전반사를 하면서 먼 거리를 진행할 수 있습니다.

 

 

『빛의 핵심』  134~135 쪽

 


 

◆함께 읽으면 좋은 책들◆

 

『권오철의 코스모스 오디세이』

 

 

『빛의 핵심』

 

『김상욱의 양자 공부』

 

 

『물리학 클래식』

 

 

『불멸의 원자』

 

 

『천국의 문을 두드리며』

 

 

『숨겨진 우주』

 

 

침묵하는 우주』

 

 

『물리의 정석: 고전 역학 편』

 

 

『물리의 정석: 양자 역학 편』

 

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