뉴턴의 프리즘 실험

백색광은 어떤 색일까요? 한번 만드는 방법을 아시고 싶으십니까?

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이 동영상에서는 백색광과 색의 관계를 알아보기 위해 이 편지에서 보듯이 1671 영국 학술원에 공개된 뉴턴의 프리즘 실험의 일부를 재연해 보겠습니다.

뉴턴이 당시 실험을 진행했을때는 백색광은 빛의 한가지 색이고 다른 색의 빛들은 백색광을 통해 만들수 있다는 이론을 대부분의 사람들이 믿고 있었습니다.

이 이론을 믿는다면 이 빨간 플라스틱은 백색광을 빨간색의 빛으로 바꾸는 역할을 하죠.

당시의 사람들은 빛이 2개의 물체의 영역에서 하는 행동에 대한 지식도 있었습니다. 예를 들자면 평평한 면에서는 빛의 각도의 비가 항상 일정합니다.

우리는 이것이 스넬의 법칙 중 하나인 것을 압니다. 이 법칙에서 빛의 굴절하는 비가 정반대에서 빛이 굴절하는 비와 같고 이것은 물체의 굴절률의 차이에 따라 달라집니다.

빛이 그 물체를 얼마나 빠르게 통과하는지는 굴절율에 상관이 없습니다.

이 사실을 통해 우리는 평평한 면에서 빛이 어떻게 되는지 추측해 볼수 있습니다.

또한 세모난 프리즈 같은 경우에도 기하학과 각도를 잘 따져서 빛이 통과할 때 어떻게 되는지 알 수 있습니다.

뉴턴은 망원경을 위한 렌즈를 디자인하다가 스펙트럼 7색의 현상에 대해 조사해 보길 했답니다.

스펙트럼의 7색은 백색광이 프리즘을 통과할 때 나오는 색들입니다.

이제 여러분이 백색광을 삼각형 모양의 프리즘에 통과 시켜서 나오는 색들을 보았더니 예상한데로 무지개가 생겼습니다.

그러나 뉴턴은 무지개를 보고 색들의 간격이 기하학의 형태와 굴절의 비의 법칙을 따랐을 때와 달리 너무 컸다는 것을 알게 되었습니다.

그래서 우리는 몇가지의 실험을 해보았습니다. 저희는 각각의 색들을 스펙트럼에서 분리 시켜 또 다른 프리즘들을 통과 시킨 결과 스펙트럼의 색들은 서로 자기만의 색을 가지며 각자의 굴절률도 있다는 것을 알게 되었습니다.

이것은 뉴턴에게 백색광은 사실 흰색을 가진 빛이 아니라 스펙트럼의 색들을 함친 빛이고 프리즘은 그 색들을 분리시켜주는 역할을 한다는 것을 알려주었습니다.

이것은 흥미로운 결론이지만 아직은 프리즘이 있어야 설명이 가능하여 실질적으로는 무엇을 증명하기에는 부족합니다.

그래서 우리에가 알아내야 하는 것은 백색광에서 스펙트럼의 색들을 프리즘 없이 분리시켜야하는 방법입니다.

이 종이의 마지막에 뉴턴은 똑같은 실험에서 렌즈를 추가하여 다시 실험해 보라고 권유를 합니다.

우리는 다시 스크린은 렌즈에 가까운 거리에 두고 똑같은 스펙트럼을 보게 됩니다. 이 부분에는 빛이 렌즈를 통과하는 곳이고 그 위에는 렌즈를 통과 하지 않은 빛입니다.

스크린이 렌즈에서 부터 멀어지면서 색들은 점점 겹쳐지는 것을 알 수 있고 결국 한 줄기의 백색광으로 뭉쳐집니다.

스크린을 계속 움직이면 우리는 같은 스펙트럼이지만 반대로 보실 수가 있습니다.

계속 스크린을 움직여도 색상의 변화는 없고 색들이 설 겹치는 것만 볼 수 있습니다. 결론적으로 보았을때 우리는 백색광을 보며 하얀색의 빛을 본다고 생각하지만 사실은 백색광은 스펙트럼의 색들이 합쳐진 빛입니다.

이제 생각해보니 백색광을 볼려면 모든 색의 빛이 필요한 것은 아닙니다. TV 스크린이나 컴퓨터 스크린을 볼 때 우리가 흰색으로 보는 것은 여러가지의 색이 합쳐진 것입니다.

그러나 우리의 목적은 처음 스펙트럼의 색들의 합을 보는 것입니다.

꽤나 흥미로운 사실이였습니다. 우리는 스펙트럼을 만들고 다시 렌즈를 이용해 백색광을 만들었습니다.

그러나 이 실험에서 백색광은 정확히 한 지점에만 생깁니다. 스크린이 렌즈에서 부터 가까워지거나 멀어지게 된다면 백색광은 사라지고 스펙트럼이 생깁니다.

과연 처음 들어온 백색광 처럼 다시 만드는 법은 없을까요?

만들 수는 있습니다. 그러나 그 과정이 생각보다 힘듭니다.

여러가지의 책들에서는 이 과정을 프리즘 두개를 사용해 빛을 통과 시키는 것을 그립니다. 이것은 마치 백색광이 나오는 듯 하지만 그렇지 않습니다. 백색광의 스펙트럼이 나올 시간이 부족했던 것 입니다.

우리의 눈에서는 마치 백색광 처럼 보이지만 사실 아주 정교하고 정확한 기구로 측정을해보시면 아니라는 것을 아실수 있습니다. 우리의 눈으로만 보실려면 프리즘을 더 멀리 두시면 보실수 있습니다.

여기서는 확실히 색이 보입니다.

정말로 여러분들이 스펙트럼에서 백색광을 만드시고 싶으시다면 뉴턴의 광학에서 나온 방법들 중 1권 마지막 실험의 방법을 사용하시면 됩니다.

프리즘에서 시작합니다. 렌즈를 시스템에 추가합니다. 이 렌즈는 렌즈의 초점의 약 2배 되는 위치에 설치를 해야합니다.

렌즈에서 떨어진 지점에 또 다른 프리즘을 설치하겠습니다. 이 거리 또한 초점의 약 2배 되는 위치에 설치합니다. 프리즘을 조정하게 되면 백색광을 보실 수 있습니다.

사실은 이 실험에서 더 큰 초점의 렌즈를 사용하고 더 넓은 시스템을 만드셔야 백색광을 잘 보실 수 있습니다. 그러나 이 동영상에서는 이 시스템으로 는 충분하다고 생각합니다.

이 영상을 끝까지 시청해주셔서 감사합니다. 이 실험이 재미있으셨다면 뉴턴의 광학 실험들에 대해 더 알아 볼 수 있는 2가지의 방법들을 제가 소개하고자 합니다.

한가지는 Gutenberg 프로젝트입니다. 여기서는 뉴턴의 광학에 대한 책을 찾으실 수 있습니다. 또 한가지는 뉴턴의 실험입니다 여기서는 뉴턴에 대한 자료를 찾아보실 수 있습니다.