[전자기학] 전자기파와 전자기파의 이용에 대해서

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태양 빛은 가시광선에서 세기가 가장 강하다. 그러므로 사람의 눈이 태양에서 오는 빛 중에서 가장 센 빛에 민감하도록 진화되었다고 생각할 수 있다. 동물에 따라서 그 동물이 볼 수 있는 전자기파의 영역이 다르다. 예를 들어 동굴에서만 사는 박쥐는 가시광선을 감지할 수가 없다.
역사적으로 전자기파 증에서 가시광선 다음으로 발견된 것이 적외선과 자외선이다. 빨간색보다 진동수가 약간 더 작아서 우리 눈에는 보이지 않는 전자기파가 적외선이고 보라색보다 진동수가 약간 더 커서 역시 우리 눈에는 보이지 않는 전자기파가 자외선이다. 적외선은 가시광선의 가장 낮은 진동수로부터 약 까지의 진동수 영역을 말한다. 여기서 는 기가헤르츠라고 읽고 를 의미하는데 여기서 Giga는 을 말하는 접두어이다. 뜨거운 물체는 전자기파를 내보내는데 그것을 열복사라고 부른다. 물체의 온도에 따라 열복사를 하는 전자기파의 진동수가 달라진다. 그런데 사람의 체온이나 우리 주위의 온도인 실온 근처의 물체가 열복사하는 전자기파는 대부분 적외선에 속한다. 그래서 야간전투에서는 적외선 안경을 가지고 적군의 동태를 감시하기도 한다. 그림 21.2에 보인 것은 고양이가 발산하는 열복사를 적외선 카메라로 찍은 사진이다.
파장이 약 로부터 대략 까지 해당하는 전자기파가 자외선이다. 태양 빛에도 상당량의 자외선이 포함되어 있다. 여름에 선탠을 하느라고 햇빛에 쪼이면 살갗이 그을리거나 타는 것은 모두 자외선 때문이다. 자외선은 피부에 흡수되어 비타민 D를 형성하는 역할도 한다. 그러나 자외선은 피부암을 일으키는 원인도 됨으로 살갗을 자외선에 너무 오랜 시간동안 노출시키는 것은 바람직하지 못하다. 수증기는 자외선을 대부분 그대로 통과시키므로 흐린 날에도 햇빛에 의한 살갗 그을리기가 일어날 수 있다. 그러나 유리는 대부분 자외선을 흡수하므로 실내에서 살갗을 태우기 위해서는 자외선 발생 장치를 따로 설치하기도 한다.
적외선보다 더 파장이 길어서 파장이 약 에서 까지 포함하는 전자기파를 마이크로파라고 부른다. 마이크로파는 핸드폰이나 위성 TV 등의 통신 및 레이더에 이용된다. 마이크로파는 2차 세계대전의 싸움이 치열하게 계속되고 있는 동안 레이더를 개발하면서 활발하게 연구되었다. 그리고 마이크로파를 발생시키는 장치 옆에서 호주머니 속에 넣어둔 초콜릿이 저절로 녹아내리는 것이 발견되고 나서 우리가 전자오븐이라고 부르는 마이크로파 오븐이 개발되었다. 전자오븐에서는 진동수가 이고 파장이 약 인 마이크로파로 음식물을 익힐 수 있다. 모든 음식물에 물이 포함되어 있는데 물분자에 분포된 양전하와 음전하의 중심이 약간 어긋나 있어서 물분자는 극성을 띤 전기쌍극자로 행동한다. 그리고 전기쌍극자가 전기장 내에 있으면 2장에서 배운 것처럼 (2.21)식으로 주어지는 토크를 받는다. 그런데 전자오븐 속에 넣은 음식물에 마이크로파를 쪼여주면 물분자는 급격히 진동하는 전기장 아래 놓이게 되어 앞뒤로 격렬하게 회전하게 되며 이런 물분자의 회전에너지가 열에너지의 형태로 음식물의 모든 부분에 퍼진다. 이렇게 하여 전자오븐 내의 음식물이 익게 된다.
마이크로파는 우주의 기원과 우주의 진화를 밝혀주는 우주론에 대한 이론이 수립되는데도 크게 기여하였다. 1960년대에 들어서자 이미 천체를 관측하기 위해 가시광선을 이용한 망원경에만 의존하는 것이 아니라 적외선 망원경, X선 망원경, 그리고 마이크로파보다 더 진동수가 작은 라디오파 망원경 등을 이용하였다. 그런데 1960년대 초 라디오파 망원경을 이용하여 천체를 관측하던 천문학자들은 온 하늘에서 파장이 약 되는 진동수 영역에서 잡음이 계속 수신되는 어려움을 겪고 있었다. 그런데 이들은 결국 우주공간 전체가 이 진동수에 해당하는 마이크로파로 꽉 차있다는 것을 발견하였다. 이것을 사람들은 우주 전체에 배경복사가 깔려있다고 말한다. 이 배경복사는 나중에 대폭발이론이라는 우주론이 성립하는 중요한 실험 근거로 이용되었다. 지금으로부터 약 250억 년 전에 대폭발과 함께 우주가 창조되었는데 이때 만들어진 에너지가 우주의 팽창과 함께 우주전체에 흩어져 존재하는 것이 바로 배경복사라는 것이다. 대폭발이론과 배경복사에 대해서는 나중에 다시 더 자세히 배울 예정이다.
진동수가 마이크로파보다 더 작은 전자기파를 라디오파라고 부른다. 라디오파는 라디오 방송과 텔레비전 방송 그리고 햄 통신에 이용된다. 전자기파 중에서 인체에 전혀 해롭지 않은 진동수 영역은 가시광선과 라디오파뿐이다. 그런데 우주 밖으로부터 모든 종류의 전자기파들이 지구로 떨어지고 있지만 성층권과 대기권에 의해서 가시광선과 라디오파를 제외한 거의 모든 전자기파가 흡수되어 지구에서 인간이 안전하게 살아갈 수 있다는 것이 매우 흥미롭다.
자외선보다 진동수가 더 큰 전자기파로 X선과 감마선이 있다. X선은 20세기에 들어서면서 독일의 뢴트겐에 의해 우연히 발견되었고 뢴트겐은 이 공로로 제1회 노벨 물리학상을 받았다. 진동수가 대략 에 드는 진동수를 X선이라 부르는데 그래서 X선의 파장은 대략 에 해당된다. 은 로 대략 수소원자의 반지름과 같은 크기를 나타내는 단위이다. 그러므로 X선을 이용한 현미경으로는 원자나 분자의 구조도 어느 정도 관찰할 수 있다.
우리는 앞에서 가시광선이 나르는 에너지는 정도임을 알았다. 이에 대하여 X선이 나르는 에너지는 주로 의 단위로 나타내고 감마선이 나타내는 에너지는 주로 의 단위로 나타낸다. X선은 원자에 포함된 높은 에너지 상태의 전자가 낮은 에너지 상태의 전자로 바뀌면서 그 에너지 차이가 밖으로 나오는 것이고 감마선은 원자핵에 존재하는 높은 에너지 상태가 낮은 에너지 상태로 바뀌면서 그 에너지 차이가 방출되는 것이다. X선이 발견된 뒤에 사람들은 X선처럼 신기한 성질을 지닌 광선을 찾는 실험을 하기 시작하였는데 우연히 방사성 원소가 발견되고 방사선 원소에서는 알파선, 베타선, 그리고 감마선이라는 세 가지 광선이 나온다는 것을 알았다. 그리고 알파선, 베타선, 감마선 중에서 마지막 감마선만 X선 보다도 훨씬 더 높은 진동수의 전자기파임이 밝혀지게 되었다. 이러한 X선과 감마선에 대해서는 나중에 원자와 원자핵을 배울 때 다시 자세히 다루게 된다.

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전자기파,   마이크로파,   맥스웰 방정식