스넬의 법칙은 공기에서 물이나 유리로 가는 등 밀도가 다른 매체 사이를 통과할 때 빛이 어떻게 휘어지는지를 설명합니다. 이러한 굽힘(굴절)으로 인해 물 속의 빨대가 휘어진 것처럼 보이고 렌즈가 빛을 집중시키는 이유가 됩니다. 굴절을 이해하는 것은 광학, 렌즈 설계, 신기루나 무지개와 같은 현상을 이해하는 데 필수적입니다.
공식
n₁ × sin(θ₁) = n₂ × sin(θ₂)
어디:
- n₁ = 첫 번째 매질의 굴절률
- θ₁ = 입사각(법선 기준)
- n² = 두 번째 매질의 굴절률
- θ² = 굴절 각도(법선 기준)
각도는 항상 표면 자체가 아닌 법선(수직)에서 표면까지 측정됩니다.
공통 굴절률
| 중간 | 굴절률 |
|---|---|
| 진공 | 1.0 |
| 공기 | 1.0003 ≒ 1.0 |
| 물 | 1.33 |
| 유리 | 1.5 – 1.9 |
| 다이아몬드 | 2.42 |
굴절률이 높을수록 빛이 해당 매체에서 더 느리게 이동한다는 의미입니다.
작업한 예
빛은 45°의 입사각으로 공기(n=1.0)에서 물(n=1.33)로 이동합니다.
1.0 × sin(45°) = 1.33 × sin(θ₂)
sin(θ₂) = sin(45°) / 1.33 = 0.707 / 1.33 = 0.531
θ₂ = arcsin(0.531) = 32.1°
밀도가 높은 매질에 들어갈 때 빛은 법선 방향으로 휘어집니다. 굴절된 광선은 입사 광선(45°)보다 법선(32.1°)에 더 가깝습니다.
임계각 및 전체 내부 반사
빛이 밀도가 높은 매체에서 밀도가 낮은 매체로(예: 유리에서 공기로) 이동할 때 빛이 굴절되지 않고 대신 완전히 반사되는 임계각이 있습니다. 이것은 전체 내부 반영입니다.
sin(θc) = n₂ / n₁
유리(n=1.5)에서 공기(n=1.0)로의 경우:
θc = arcsin(1.0 / 1.5) = 41.8°
41.8°보다 큰 입사각은 내부 전반사를 유발합니다. 이 원리는 광섬유가 빛을 가두는 것을 가능하게 합니다.
애플리케이션
렌즈: 렌즈 모양과 굴절률은 함께 작용하여 빛의 초점을 맞추거나 발산시킵니다. 굴절이 강할수록(n이 높을수록) 더 얇은 렌즈가 동일한 초점 거리를 얻을 수 있음을 의미합니다.
프리즘: 다양한 파장에서의 굴절(분산)은 백색광을 스펙트럼으로 분리합니다.
섬유 광학: 내부 전반사는 광섬유 케이블 내의 광 신호를 포함합니다.
팁
항상 표면이 아닌 법선으로부터 각도를 측정하십시오. 빛이 밀도가 높은 매질에 들어가면 법선 방향으로 휘어집니다. 밀도가 높은 매체에서 빠져나오면 법선에서 멀어지게 구부러집니다. 이러한 비대칭성은 수영장이 실제보다 더 얕아 보이는 이유입니다.
스넬의 법칙 굴절 계산기를 사용하면 굴절각을 즉시 찾을 수 있습니다.