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<차례> 1. 직교 니콜임에도 소광되지 않는 빛: Malus의 법칙 |
두 장의 편광판(편광 현미경에서 상부 편광판과 하부 편광판)을 이용하여 비등방성 광물을 관찰할 때 일어나는 현상에 대해 알아보기 전에, 제 3의 편광판을 관찰하는 경우의 사례를 알아보겠습니다. 제 3의 편광판이란 하부편광판과 상부편광판 사이에 끼워서 광물 대신 관찰할 편광판입니다. 비등방성 광물을 관찰하는 경우에 비해 제 3의 편광판을 관찰하는 경우 더 단순하게 이해할 수 있습니다. 실제의 비등방성 광물을 관찰하는 사례는 "편광판을 이용한 비등방성 광물의 관찰 #2"(아직 작성하지 않음)에서 다루겠습니다.
먼저, 재물대에 아무런 물체도 올려놓지 않고 관찰하는 경우에 일어나는 소광 현상에 대한 이해가 필요합니다. 이에 대해서는 "편광판에 의한 소광"을 참고하세요.
1. 직교 니콜임에도 소광되지 않는 빛: Malus의 법칙
아래 그림에서, 편광되지 않은 빛이 하부 편광판을 통과하면서 선편광되었습니다. 이렇게 선편광된 전기장이 제 3의 편광판으로 입사하고 있습니다. 제 3의 편광판은 상부 편광판과 하부 편광판 사이에 설치되어 있으며, 상부 및 하부 편광판이 서로 직교하는 데 비해, 제 3의 편광판은 두 편광판에 대해 비스듬하게 기울어져 있습니다.
그림 1. Malus의 법칙. 두 편광판이 직교한 상태에서 두 편광판 사이에 아무 것도 배치하지 않는 경우에는 소광이 일어나지만, 두 편광판 사이에 제 3의 편광판을 비스듬하게 설치한 경우에는 소광이 일어나지 않는다.
제 3의 편광판으로 입사하는 전기장은 제 3의 편광판에 의해 다시 선편광을 일으킵니다. "편광과 편광판"에서 보았던 것처럼 입사하는 전기장의 성분 중 편광판의 주 진동 방향(금속 선 방향)에 나란한 것은 크게 감쇠되고, 수직한 것만 통과합니다. 이것을 그림 1에서 확인할 수 있습니다.
제 3의 편광판에 의해 선편광된 빛은 이제 상부 편광판으로 입사합니다. 만약, 제 3의 편광판이 없었다면, 전기장은 상부 편광판에 나란하게 진동했을 것이고, 그 결과 소광이 일어났을 것입니다. 하지만, 제 3의 편광판에 의해 선편광된 빛은 상부 편광판의 주 진동 방향에 대해 비스듬하게 기울어져 있습니다. 이것은 선편광된 빛이 상부 편광판의 주 진동 방향에 대해 수직한 성분을 갖고 있다는 것을 의미합니다.
이 빛이 상부 편광판을 통과하면, 상부 편광판의 주 진동 방향에 나란한 성분은 크게 감쇠되지만 그에 수직한 성분은 상부 편광판을 통과하여 빠져나올 수 있습니다. 결과적으로 소광이 일어나지 않습니다.
편광판은 비등방성 광물과 마찬가지로 광학적 이방체입니다. 광학적으로 모든 방향에 대해 균질하게 작용하지 않는다는 뜻입니다. 그것은 이러한 물체를 통과할 경우 빛은 필연적으로 편광을 일으킨다는 것을 나타냅니다. 제 3의 편광판 대신 비등방성 광물을 상부 및 하부 편광판 사이에 끼웠을 때에도 이와 같은 현상이 나타납니다. 다만 제 3의 편광판을 통과할 때와 달리, 비등방성 광물을 통과할 때에는 입사한 광선이 서로 다른 속력을 갖는 광선으로 분리되는 복굴절 현상이 일어나게 됩니다. 제 3의 편광판을 통과하는 경우 이런 현상이 거의 나타나지 않는 것은 주진동 방향에 직각으로 진동하는 광선은 거의 완전하게 흡수되기 때문입니다.
2. 제 3의 편광판의 소광
앞에서 하부 편광판과 상부 편광판 사이에 제 3의 편광판을 비스듬히 끼워넣은 경우 소광이 일어나지 않는 경우에 대해 살펴보았습니다. 이번에는 제 3의 편광판을 관찰할 때, 어떠한 경우에 소광이 일어날 수 있는지 알아보겠습니다.
1) 제 3의 편광판과 하부 편광판의 주 진동 방향이 같은 경우
아래 그림은 제 3의 편광판의 주 진동 방향이 하부 편광판의 진동 방향과 같을 때입니다. 이런 경우, 하부 편광판을 통과하면서 선편광된 빛은 제 3의 편광판을 거의 그대로 투과합니다. 제 3의 편광판을 통과한 선편광은 상부 편광판의 진동 방향과 나란한 성분만을 가지므로 상부 편광판을 통과하면서 소광을 일으킵니다.
그림 2. 직교니콜에서 하부 편광판과 나란한 제 3의 편광판에 의한 소광. 상부 및 하부 편광판 사이에 하부 편광판과 나란하도록 제 3의 편광판을 배치한 경우에는 소광이 일어난다.
제 3의 편광판을 위 그림에 대해 180도 회전시켰을 때에도 동일한 현상이 일어납니다. 따라서, 비등방성 광물은 이러한 배치에 의해 두번 소광됩니다.
2) 제 3의 편광판과 상부 편광판의 주 진동 방향이 같은 경우
한편, 아래 그림은 제 3의 편광판의 주 진동 방향이 상부 편광판의 진동 방향과 같은 경우를 나타냅니다. 이런 경우, 하부 편광판을 통과하면서 선편광된 빛은 제 3의 편광판의 주 진동 방향과 나란합니다. 따라서, 빛은 광물을 통과하면서 소광을 일으킵니다. 소광된 빛은 상부 편광판을 통과하는 것과 관계 없이 소광된 상태를 유지합니다.
그림 3. 직교니콜에서 상부 편광판과 나란한 제 3의 편광판에 의한 소광. 상부 및 하부 편광판 사이에 상부 편광판과 나란하도록 제 3의 편광판을 배치한 경우에는 소광이 일어난다.
제 3의 편광판이 재물대에 놓여진 방향이 위 그림의 방향에 대해 180도일 때에도 동일한 현상이 일어납니다. 따라서, 제 3의 편광판은 이러한 배치에 의해 두번 소광됩니다.
그림 2와 3의 배치에서 각각 두번의 소광이 일어났습니다. 따라서, 제 3의 편광판을 상부 및 하부 편광판 사이에서 한 바퀴 회전시키는 경우에는 총 네 번의 소광이 일어납니다. 다음 글(편광판을 이용한 비등방성 광물의 관찰 #2)에서는 실제 비등방성 광물에서 일어나는 간섭과 소광에 대해 알아보겠습니다.
조영우
푸른행성의 과학 | 어스블로그 | Youngwoo Cho Photography
