[물리학] 무지개의 원리

무지개는 빛의 굴절, 반사, 및 분산 현상에 의해 발생하는 자연 현상으로, 주로 비가 내린 후 햇빛이 나올 때 볼 수 있습니다.

무지개는 공기 중의 물방울에 햇빛이 들어올 때 발생합니다. 빛이 물방울에 입사할 때, 공기에서 물로 매질이 바뀌기 때문에 빛의 속도가 달라지면서 굴절이 일어납니다. 이 굴절로 인해 빛은 물방울의 표면에서 꺾여서 이동하게 됩니다. 서로 다른 파장의 빛은 굴절각이 다르기 때문에, 빛은 여러 색상으로 분리됩니다. 이 과정을 분산(Dispersion)이라고 합니다.

굴절된 빛은 물방울 내부로 들어가면, 물방울의 반대쪽 내부 표면에 도달합니다. 이 지점에서 빛은 다시 반사됩니다. 이 반사는 빛이 물방울 내부에서 바깥으로 나가지 않고 다시 내부로 돌아오게 만듭니다. 빛의 일부는 물방울을 통과하여 나갈 수도 있지만, 무지개 형성에 중요한 빛은 이 반사된 빛입니다.

반사된 빛이 물방울 내부를 이동하다가 다시 물방울의 표면에 도달하면, 빛은 물방울을 벗어나며 다시 한 번 굴절됩니다. 이때의 굴절은 처음 공기에서 물로 들어올 때와 반대 방향으로 일어나지만, 여전히 각기 다른 색상들이 서로 다른 각도로 분산됩니다. 이로 인해 물방울에서 나오는 빛은 색상이 분리된 형태로 나오게 됩니다.

이렇게 굴절, 반사, 재굴절 과정을 거친 빛은 물방울에서 나와 관찰자의 눈에 도달합니다. 관찰자는 태양을 등지고 물방울 속에서 나오는 빛을 보게 되는데, 이때 빛은 색상에 따라 서로 다른 각도로 눈에 도달합니다. 이로 인해 원형의 무지개가 형성되며, 색상은 보통 바깥쪽에서부터 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라 순서로 배열됩니다.

무지개는 이러한 과정이 수많은 물방울에서 동시에 일어나기 때문에 나타납니다. 각 물방울에서 나오는 빛은 특정한 색상으로만 보이기 때문에, 수많은 물방울이 함께 모여 있을 때 우리는 연속적인 색상의 무지개를 관찰할 수 있게 됩니다.