파동 (3)

파동의 굴절 현상은 매질에 따라 파동의 진행 속도가 다르기 때문에 생기며, 더불어 진행 방향이 꺾이는 현상을 말한다. 파동이 서로 다른 매질의 경계면을 통과하면서 파장이 짧아진 것을 알 수 있다.
일반적으로 파동이 굴절할 때, 진동수는 파원의 진동수와 같으므로 변하지 않지만 변한다. 그런데 파동의 속력 = 진동수 X 파동이므로 파동의 속력 또한 변한다는 것을 알 수 있다. 파면 사이의 간격을 보면 파동의 속력은 매질에 따라 변하는 것을 알 수 있는데 이처럼 매질에 따라 파동의 속력이 다르므로 굴절 현상이 나타나는 것이다.
물결파는 물의 깊이가 깊을수록 수면과 바닥 사이의 거리가 멀기 때문에 마찰이 작아서 물결파의 진행 속도가 빨라진다. 따라서 물결파가 깊은 물에서 얕은 물로 진행하게 되면 속력이 느려지게 되므로 파장이 짧아지는 방향으로 굴절된다고 생각할 수 있다.
일반적으로 파동의 굴절 현상은 매질에 따른 속력의 비를 이용하여 설명할 수 있으며, 파동이 굴절할 때는 다음과 같은 일정한 법칙에 따른다.
파동이 매질의 경계면에서 굴절할 때 입사각과 반사각의 사인 값의 비는 일정하다는 법칙인데 이것을 파동의 굴절 법칙 또는 스넬의 법칙이라고 한다.
여기서 사인값의 비를 굴절률이라고도 한다.
하위헌스의 원리와 굴절의 법칙은 어떤 파동이라도 매질이 다른 경계에 부딪히면 일부는 반사되고 나머지는 투과된다. 이때 다른 매질의 경계를 통과한 파동은 입사할 때와 다른 방향으로 꺾여서 진행한다.
초음파는 사람이 들을 수 있는 진동수 이상의 음파를 말한다. 초음파는 직진하는 성질이 있으므로 초음파를 이용하여 환자의 진단, 건물이나 구조물의 비파괴 검사, 해저 탐사하는 등 그 이용 범위가 넓다.
병원에서는 초음파가 생체 조직에 따라 반사되는 정도가 다른 것을 이용하여 환자의 건강 상태에 관한 여러 가지 정보를 얻고 있다. 특히 산부인과에서는 태아의 움직임과 심장 박동 등을 모니터 하는 데 매우 유용하게 활용되고 있으며, 자궁암 검사와 같이 X선을 사용할 수 없는 진단에 널리 이용되고 있다. 그리고 초음파는 철근 및 콘크리트 구조물 등에 균열이 있는지 조사하는 비파괴 검사에도 이용된다.
또한 바닷속에 있는 고기 떼를 찾거나 해저 지형을 탐사할 때도 초음파를 이용한다. 초음파를 바닷속에 발사하면 해저에 닿은 후 반사되어 돌아오는데, 이 반사파를 분석하여 해저의 깊이나 지형을 알아낼 수 있다.
뉴턴은 운동의 법칙과 만유인력의 법칙을 발견하여 역학에서 큰 업적을 이루어 놓은 인물로 유명하지만, 그가 활동하던 당시에는 빛에 관한 연구로도 유명하였다. 뉴턴은 빛이 아주 작은 입자의 흐름이라고 생각하고 빛의 입자론을 주장하였는데 18세기와 19세기에 이르러서는 빛이 파동이라는 파동론에 굴복하게 되었다.
그 이유는 파동론으로 앞에서 공부한 반사와 굴절 현상은 물론이고, 당시에 알려졌던 빛에 관한 모든 현상들을 설명할 수 있었기 때문이었다. 그럼 파동의 중요한 현상인 간섭과 회절에 대해 알아보자.
바위와 같은 물체들은 다른 물체와 같은 공간에 동시에 존재할 수 없지만, 파동은 같은 공간에 여러 개가 동시에 존재할 수가 있다.
파동에서 흥미로운 현상 중의 하나는 여러 개의 파동이 동시에 같은 매질에서 전파되어 진행할 때 나타나는 현상이다. 수면에 두 개의 돌을 던져보면, 두 개의 물결파가 겹치면서 전혀 새로운 무늬가 나타나는데, 이처럼 두 개 이상의 파동이 만나서 새로운 모양을 만들어내는 현상을 파동의 중첩이라고 한다.
그리고 같은 위치에서 두 개 이상의 파동이 겹칠 수 있는 파동만의 독특한 성질을 파동의 중첩성이라고 한다. 
한 매질에서 두 개의 파동이 서로 반대 방향으로 진행하다가 한 곳에서 만나면 겹치는 동안만 파동의 모양이 변하고, 떨어진 후에는 다시 원래의 모습으로 되어 진행한다.
이처럼 두 개의 파동이 겹칠 때 서로 다른 파동에 아무런 영향을 주지 않고 본래의 모습을 그대로 유지하면서 진행하는데, 이것을 파동의 독립성이라고 한다. 파동의 독립성은 운동하는 물체가 충돌할 때 나타나는 현상과 대조적인 현상으로 파동의 중요한 특성 중의 하나이다.
한 매질에서 진행하는 두 개의 파동이 만나서 겹칠 때 매질의 각 부분의 변위는 각 파동이 단독으로 진행할 때의 변위 합과 같다.
일반적으로 두 개의 파동이 겹칠 때, 각 순간의 파동 변위는 각 파동의 변위 합과 같다. 파동의 이러한 성질을 중첩의 원리라고 하며, 중첩한 결과 새로 만들어진 파동을 합성하라고 한다.
이처럼 두 개 이상의 주기적인 파동이 서로 중첩되어 진폭이 변하는 것을 파동의 간섭이라고 한다. 주기적인 두 개의 파동이 겹치는 모습을 보면, 파동의 마루와 마루, 골과 골이 만나서 중첩될 때 진폭이 더 커지는 경우를 보강 간섭이라고 한다. 이 경우에는 마루와 마루가 만난 곳에는 진폭이 더 큰 높은 마루가 생겼고, 골과 골이 만난 곳에는 진폭이 더 큰 깊은 골이 된다.
한편, 반대로 마루와 골이 만나서 중첩될 때 진폭이 작아지는 경우를 상쇄 간섭이라고 하는데 이 경우에는 마루와 골이 만난 곳에서는 진폭이 서로 반대 방향이기 때문에 진폭이 줄어든다. 간섭 현상은 물결파, 소리, 빛 등 파동만이 가지는 특성이다.
파동이 간섭은 물결파에서 가장 잘 볼 수 있다. 두 개의 점파원에서 진동수와 진폭이 똑같은 물결파가 발생하여 중첩되었을 때 만들어지는 간섭무늬를 보면 물결파가 중첩되어 물이 진동하지 않는 부분과 심하게 진동하는 부분이 부챗살 모양을 이루면서 교대로 나타나는 것을 볼 수 있다. 이 무늬에서 물결파의 마루와 마루가 만난 부분은 보강 간섭이 되어 수면이 위로 볼록 올라와서 볼록 렌즈의 역할을 하게 되므로 밝게 나타나는 반면에, 골과 골이 만난 부분 또한 보강 간섭이 되어 수면이 아래로 움푹 파여서 오목 렌즈의 역할을 하므로 어둡게 나타나게 된다.