빛의 굴절 현상을 설명하는 '스넬의 법칙'이란?

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빛의 굴절 현상에 나타나는

‘스넬(Snell)의 법칙’

 

  

물이 담긴 유리컵에 세워둔 젓가락은 물을 만나는 경계면에서 휘어져 보인다. 이처럼 빛이 물이나 유리를 통과할 때 그 경계면에서 꺾이어 진행방향이 달라지는 현상을 ‘굴절’(refraction)이라 한다. 굴절 현상은 고대로부터 알고 있었지만, 굴절 현상에 일정한 법칙이 따른다는 것을 처음 발견한 사람은 네덜란드의 수학자 빌레브로트 스넬리우스(Willebrord Snellius, 1580-1626)이다.

 

진공, 공기, 물, 유리, 다이아몬드 등 매질(媒質)마다 빛을 굴절시키는 정도가 다른데, 이를 굴절률(refractive index)이라 한다. 굴절률은 진공 중에서의 빛의 속도를 매질(물, 유리 등) 속에서의 빛의 속도로 나눈 값이다. 예를 들어 유리 속을 지나는 빛의 속도는 진공 속의 속도의 약 0.67배이므로, 굴절률은 약 1.5이다.

 

스넬리우스(스넬-Snell이라고도 부름)가 처음 밝힌 두 매질의 경계에서 일어나는 ‘굴절의 법칙’을 ‘스넬리우스의 법칙’, ‘스넬리의 법칙’(Snell's Law), 또는 ‘스넬의 굴절법칙’이라 부른다. 한편 프랑스에서는 ‘데카르트의 법칙' 또는 ‘스넬-데카르트의 법칙’이라 한다.

 

스넬리의 법칙은 아래 그림에서

​n₁ × sinθ₁  = n₂ × sinθ₂ 로 나타낸다. 

 

 

 

 

스넬리의 법칙을 표현하는 이 그림은 입사광선(incident ray)과 굴절광선(refractive ray), 굴절률(refractive indices), 매질의 경계면을 나타낸다. V₁과 V₂는 각 매질, n₁과 n₂는 각 매질의 굴절률을 나타낸다.

 

 

 

 

물속에 잠긴 스푼 부분이 경계면에서부터 굴절되어 보인다.  이러한 굴절 현상은 공기, 물, 유리 속으로 진행하는 빛의 속도 차이 때문에 발생한다. 다이아몬드 속을 지나는 빛은 가장 굴절(굴절률 2.42)이 심하게 일어난다. 빛은 굴절률이 높은 매질일수록 파장에 따라 큰 각도로 굴절하여 찬란한 광채를 분산한다. 

 

 

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