빛이 굴절되는 원리는 무엇때문인가요?

Question

안녕하세요? 볼록렌즈 빛의 굴절을 이용하는 거잖아요~ 안경이나 돋보기 등에 쓰이는 렌즈가 볼록렌즈로 빛의 굴절을 이용하는데 빛이 굴절되는 원리는 무엇때문인가요?

Answer 1

안녕하세요.

빛의 굴절 현상은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 통과할 때, 속도 변화에 의해 진행 경로가 꺾이는 현상입니다. 이 현상은 스넬의 법칙(Snell`s Law)에 의해 설명되며, 매질의 굴절률(Refractive Index)에 따라 달라집니다. 빛이 공기에서 물, 유리, 렌즈와 같은 매질로 들어갈 때, 각각의 매질에서 빛의 속도가 달라지기 때문에 빛의 경로가 꺾이게 됩니다.
굴절의 근본적인 원리는 빛의 속도가 매질에 따라 다르기 때문입니다. 진공에서 빛의 속도는 가장 빠르며, C ≈ 3 × 10⁸ m/s 입니다. 그러나 물이나 유리 같은 밀도가 높은 매질에서는 빛의 속도가 느려집니다. 빛이 공기에서 유리와 같은 밀도가 더 높은 매질로 들어갈 때, 빛의 속도가 줄어들면서 경로가 매질의 경계에서 꺾이게 됩니다. 반대로 밀도가 높은 매질에서 낮은 매질로 이동할 때는 속도가 증가하면서 빛이 굴절됩니다.
스넬의 법칙을 수식으로 표현하면 다음과 같습니다 :

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

여기서 n₁과 n₂는 각각 매질 1과 매질 2의 굴절률이며, θ₁과 θ₂는 각각 입사각과 굴절각입니다. 굴절률 n은 매질 속에서 빛의 속도를 나타내는 척도로, 진공에서의 빛의 속도에 대한 해당 매질에서의 빛의 속도 비율입니다 :

n = c / v

여기서 v는 해당 매질에서의 빛의 속도입니다.
빛이 굴절되는 현상은 렌즈에서 중요한 역할을 합니다. 볼록렌즈(Convex Lens)는 빛을 한 점으로 모으는데 사용되며, 이 렌즈는 빛이 매질을 통과할때 경로가 꺾이도록 하여, 빛의 초점을 맞추는데 활용됩니다. 안경이나 돋보기에서 볼록렌즈는 빛을 굴절시켜 초점 거리를 조절하고, 시각적 상을 더 선명하게 만듭니다.