프리즘과 무지개, 흰빛이 여러 색으로 나뉘는 이유

창가에 둔 유리컵이나 크리스털 장식 옆 벽에 작은 무지개가 비친 것을 본 적이 있을 것입니다. 아무 색도 없어 보이는 햇빛이 유리를 지나자 빨강부터 보라까지 여러 색으로 나뉜 것입니다. 하늘의 무지개도 같은 원리로 생깁니다. 이 글은 흰빛이 어떻게 여러 색으로 나뉘는지, 무지개는 왜 늘 둥근 모양으로 해의 반대쪽에 뜨는지 정리합니다.

흰빛 안에는 여러 색이 들어 있습니다

17세기에 뉴턴은 어두운 방에 햇빛 한 줄기를 들이고 프리즘에 통과시키는 실험을 했습니다. 빛은 벽에 무지개색 띠로 펼쳐졌고, 이렇게 나뉜 한 가지 색을 다시 프리즘에 통과시켜도 더 이상 다른 색으로 나뉘지 않았습니다. 프리즘이 색을 만들어 내는 것이 아니라, 원래 흰빛 안에 여러 색의 빛이 섞여 있었다는 뜻입니다.

빛의 색은 파장으로 구분합니다. 빨간빛은 파장이 길고, 보랏빛으로 갈수록 파장이 짧아집니다. 이 여러 파장의 빛이 고르게 섞이면 우리 눈에는 흰빛으로 보입니다.

빛은 물질이 바뀌는 곳에서 꺾입니다

빛은 공기에서 유리나 물로 들어갈 때 속도가 느려지면서 진행 방향이 꺾입니다. 이것을 굴절이라고 합니다. 물이 담긴 컵에 꽂은 빨대가 꺾여 보이는 것도 굴절 때문입니다.

중요한 점은 꺾이는 정도가 색마다 조금씩 다르다는 것입니다. 유리나 물 속에서는 파장이 짧은 보랏빛이 빨간빛보다 조금 더 많이 꺾입니다. 프리즘은 빛이 들어갈 때 한 번, 나올 때 한 번 꺾이도록 만든 모양이라, 그 작은 차이가 커져 색이 눈에 보일 만큼 펼쳐집니다. 이렇게 색이 나뉘는 현상을 분산이라고 합니다.

무지개는 빗방울 속 프리즘

비가 그친 뒤 하늘에는 아주 작은 물방울이 떠 있습니다. 햇빛이 물방울로 들어가면서 꺾이고, 물방울 안쪽 면에서 한 번 반사된 뒤, 나오면서 다시 꺾입니다. 들어가고 나올 때 두 번 굴절하므로 프리즘처럼 색이 나뉩니다.

빗방울에서 나온 빛은 들어온 햇빛 방향과 대략 40~42° 각도를 이루며 돌아 나옵니다. 그래서 무지개는 해를 등지고 섰을 때, 내 그림자 머리 쪽을 중심으로 그 각도만큼 떨어진 원을 따라 보입니다. 같은 각도에 있는 빗방울들이 모두 빛을 보내니 둥근 모양이 되고, 땅에 가려 보통은 반원이나 그보다 작은 활 모양만 보입니다. 해가 높이 뜬 한낮보다 해가 낮은 아침이나 늦은 오후에 무지개가 더 크게 보이는 것도 이 때문입니다.

바깥쪽이 빨강, 안쪽이 보라인 것이 보통의 무지개입니다. 가끔 그 바깥에 희미한 무지개가 하나 더 뜨는데, 물방울 안에서 두 번 반사된 빛이 만든 것이라 색 순서가 반대입니다.

집에서 무지개 만들어 보기

• 분무기나 정원 호스: 맑은 날 해를 등지고 서서 앞쪽으로 물을 뿌리면 물안개 속에 작은 무지개가 보입니다.
• 물 컵과 흰 종이: 햇빛이 드는 창가에 물을 가득 채운 투명한 컵을 두고, 바닥에 흰 종이를 깔아 위치를 조금씩 옮겨 보면 종이에 색 띠가 생깁니다.
• CD나 DVD의 뒷면: 굴절은 아니지만, 빛을 비추면 표면의 촘촘한 홈 때문에 색이 나뉘어 보입니다.

빛이 꺾이고 나뉘고 섞이는 모습을 직접 만져 보고 싶다면, 거울과 프리즘으로 빛의 길을 바꾸고 빨강·초록·파랑 빛을 섞어 목표 색을 만드는 퍼즐 게임으로 즐겨 보는 것도 좋습니다. 빛의 세 가지 색이 섞이면 왜 흰색이 되는지는 빛의 삼원색 글에 정리해 두었습니다.