우리는 색(color)이라는 것을 자연스럽고 직관적으로 이해 가능한 것이라고 여기는 경향이 있다. 그러나 색은 특정한 스펙트럼을 가진 빛이 망막의 세 가지 원추세포에 전달되고 이것이 대뇌에 의해 해석됨으로써 나타나는 현상으로서, 그 물리적 생물학적 원리는 대표적인 통합교과적 논술의 소재라고 할 수 있다.
스펙트럼(spectrum)
스펙트럼은 빛을 분해해 얻어지는 성분들, 또는 그 성분들의 파장별 분포를 뜻한다. 스펙트럼은 그 유형에 따라 연속스펙트럼과 선스펙트럼으로 구분된다. 이 가운데 태양이나 백열등과 같은 백색광원에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 파장에 따른 에너지 세기가 연속적으로 나타나는데, 이를 연속(continuous)스펙트럼이라고 한다. 이와 대조적으로 특정한 몇몇 파장대의 빛만을 방출하는 경우를 선(line)스펙트럼이라고 한다. 선스펙트럼은 광원에 있는 원자의 전자가 높은 에너지 준위에 있다가 낮은 에너지 준위로 이동하면서, 그 에너지 차이에 상응하는 파장(및 진동수)의 빛을 방출하기 때문에 나타나는 것이다. 보어(Bohr)의 원자모델에 따르면 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어질 때 그 에너지의 차이 E에 상응하는 빛(광양자)을 방출한다. 이때 방출되는 광양자의 진동수 또는 파장은 E=hv=식에 의해 주어진다. 광양자를 방출하는 원자가 한 가지뿐이라면, 그 원자에서 방출되는 광양자의 파장(및 진동수)은 몇 가지 제한된 종류에 국한될 것이다. 이처럼 몇몇 파장 영역에서만 광양자가 방출되므로, 이 빛을 프리즘에 통과시키면 몇몇 파장대에서 밝은 부분이 마치 선처럼 나타난다. 이 때문에 선(line) 스펙트럼이라고 명명한 것이다.
▼예제▼
어떤 천체의 대기가 어떤 성분으로 되어 있는지를 알 수 있는 방법은 무엇인가?
플랑크 곡선(Planck curve)
100여 년 전에 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Planck)에 의해 정리되고 이론적으로 해명된 곡선이다. 모든 파장 영역의 광선을 100% 흡수하는 이상적인 물체를 흑체(black body)라고 할 때, 그 흑체에서 방출하는 파장별 에너지 세기를 그래프로 그린 것이다(단, 에너지 세기는 광원의 단위면적당 방출하는 에너지 세기를 뜻함). 그림을 보면 광원의 온도가 높을수록 단위면적당 방출하는 에너지 세기가 큰 것을 알 수 있다. 이를 정리한 것이 슈테판-볼츠만의 법칙(Stefan-Boltzman’s law)이다. 이에 따르면 단위시간당 단위면적당 방출하는 에너지는 절대온도의 네제곱에 비례하며 E=aT⁴로 정리된다(T는 절대온도, a는 상수). 또한 광원의 온도가 높을수록 최대에너지를 방출하는 파장이 짧아짐(그래프상으로 꼭짓점이 왼쪽으로 이동함)을 알 수 있는데, 이를 비인의 법칙(Wien’s law)이라 하며 수식으로는 로 정리된다(b는 상수).
▼예제▼
다음 현상들을 플랑크곡선의 특성을 이용하여 일관되게 설명하시오. (가)철을 가열하다 보면 처음엔 붉게 보이다가 점점 흰색으로 바뀐다. (나)일반적인 태양광선용(daylight type) 필름으로 백열전등에서 사진을 찍으면 색깔이 누렇게 나오고, 촛불에서 찍으면 벌겋게 나온다. (다)가스불은 중심부의 색깔이 푸른색인데 촛불은 붉은색이다. (라)적색거성은 온도가 낮은 별이고 백색왜성은 온도가 높은 별이다.
원추세포(cone cell)
눈의 망막에는 명암을 구분하는 간상세포(rod cell)와 색상을 구분하는 원추세포(cone cell)가 있다. 원추세포는 망막 전체에 600만 개 정도가 분포하며, 서로 다른 세 가지의 빛 수용물질을 가지고 있는 세 가지 원추세포가 발견된다. 세 가지 원추세포는 가장 긴 파장대(황적색)를 감지하는 L(long), 중간 파장대(녹색)를 감지하는 M(medium), 짧은 파장대(청자색)를 감지하는 S(short) 등으로 구분된다. 대뇌는 이 세 가지 원추세포로부터 전달된 신경신호 세기의 비율에 따라 색깔을 판단한다. 예를 들어 L 원추세포의 신호가 M 원추세포의 신호보다 약간 큰 경우에는 노란색으로 판정되며, L 원추세포의 신호가 M 원추세포의 신호보다 많이 큰 경우에는 붉은색으로 판정된다. 또한 S 원추세포의 신호가 M이나 L 원추세포보다 월등하게 큰 경우에는 푸른색으로 판정된다.
▼예제▼
지구상의 식물은 가시광선 영역만을 이용하여 광합성을 하며, 대부분의 동물도 눈과 같은 감각기관을 이용하여 가시광선 영역만을 감지한다. 그 이유는 무엇인가?
☞ 답안은 이지논술 사이트에
이범 선생님
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