얼음은 왜 투명하기도 하고 하얗게 보이기도 하나요?

Question

안녕하세요. 얼음의 결정 구조는 동일한 물인데도 왜 어떤 얼음은 투명하고, 어떤 얼음은 불투명한가요? 이는 결정 성장 속도, 기포 포함 여부, 빛의 산란과 어떤 관련이 있을까요?

Answer 1

안녕하세요.

얼음이 투명하게 보이기도 하고 하얗게 보이기도 하는 차이는 물 분자 자체의 차이가 아니라 결정이 형성되는 과정과 내부 구조 차이에서 비롯되는 것입니다.

먼저 얼음의 기본 결정 구조는 육각형 결정 구조인데요 이 구조 자체는 비교적 규칙적이기 때문에, 내부에 결함이 거의 없고 균질하게 형성되면 빛이 크게 산란되지 않고 통과할 수 있습니다. 이런 경우 얼음은 투명하게 보입니다. 예를 들어 천천히 얼린 얼음이나, 불순물과 기체가 제거된 물을 서서히 냉각한 경우에는 비교적 큰 단결정 또는 정렬된 결정 구조가 형성되어 맑은 얼음이 만들어집니다. 반대로 얼음이 하얗게 보이는 가장 큰 이유는 미세한 공기 기포와 결정 경계에서의 빛 산란 때문인데요 물에는 원래 용존 공기가 녹아 있습니다. 물이 빠르게 얼면, 얼음 격자 안에 기체가 충분히 빠져나갈 시간이 없어서 미세 기포 형태로 갇히게 되며 이 기포들은 얼음과 굴절률이 크게 다르기 때문에 빛이 통과할 때 강하게 산란됩니다. 이 다중 산란 때문에 빛이 여러 방향으로 흩어지면서 우리 눈에는 흰색, 즉 불투명하게 보이게 되는 것입니다. 또한 결정 성장 속도도 중요한 역할을 하는데요 빠르게 냉각하면 작은 결정들이 여러 방향으로 동시에 성장하여 다결정 구조를 형성합니다. 이때 각 결정립의 경계에서도 굴절률 차이에 의한 산란이 발생하며 결정립이 작고 무질서할수록 산란이 증가하여 얼음은 더 하얗게 보입니다. 반면 천천히 얼리면 큰 결정이 비교적 균일한 방향으로 성장하여 산란이 줄어들고 투명도가 높아집니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

얼음이 투명하게 보일 때와 하얗게 보일 때의 차이는 사실 같은 물질이라도 얼어가는 과정에서 내부 구조가 어떻게 형성되었는지에 따라 달라집니다.

물이 천천히 얼면 분자들이 규칙적으로 배열되어 큰 결정이 만들어집니다. 이때 내부에 공기 방울이나 불순물이 거의 없기 때문에 빛이 산란되지 않고 그대로 통과할 수 있어 얼음은 맑고 투명하게 보입니다. 마치 유리처럼 빛이 직진하는 것입니다.

반대로 물이 빠르게 얼면 내부에 작은 결정들이 뒤섞여 형성됩니다. 이 과정에서 공기 방울이 갇히거나 결정 경계가 불균일하게 생기는데, 이런 미세한 구조들이 빛을 여러 방향으로 흩뜨립니다. 빛이 산란되면 우리 눈에는 얼음이 전체적으로 하얗게, 불투명하게 보입니다. 눈송이가 하얗게 보이는 것도 같은 원리입니다.

정리하자면, 얼음의 투명도는 결정 성장 속도, 내부 기포의 존재, 그리고 빛의 산란 정도에 의해 결정됩니다. 천천히 얼어 기포가 없는 얼음은 투명하고, 빠르게 얼어 기포와 작은 결정들이 많은 얼음은 하얗게 보이는 것입니다.