비눗방울과 빛이 만들어 낸 무지개
아이들과 공원 놀러 가서 아이들이 만드는 비눗방울에 함께 즐거워하던 기억도 코로나로 인해 너무 오래되어 버리는 듯합니다. 겨울이 지나고 곧 따뜻한 봄이 오면 우리는 다시 아이들과 함께 공원에서 알록달록 비눗방울을 날리면서 행복하게 웃을 때가 올까요?
그렇게 되면 2년 전 아이가 물어봤던(그땐 답하지 못했던) ‘왜 비눗방울에는 무지개 빛이 나는지’ 이제는 대답해 줄 수 있을 거 같은데 말입니다.
비눗방울 표면이 알록달록 빛이 나는 이유
비눗방울은 물의 표면장력을 비누의 계면활성제 성분을 통해 표면장력을 낮춘 것입니다. 그럼으로써 물이 넓고 퍼질 수 있게 만든 것이죠. 이렇게 만든 비눗방울은 알록달록 이쁜 색들이 시시각각 변하는데요. 비눗방울뿐 아니라 물에 뜬 기름도 이런 무지갯빛이 납니다. 어떤 원리로 이런 빛들이 보이는 것일까요?
처음에는 무지개가 뜨는 것과 같은 원리가 아닐까 싶었습니다. 무지개는 비온 뒤에 공기 중에 있는 물방울을 통과한 빛의 굴절에 의해 생깁니다. 비눗방울의 알록달록 색들은 이것과는 다릅니다.
비눗방울 무늬는 파동으로써 빛의 간섭현상으로 인한 것입니다.
비눗방울 표면에서 빛의 간섭이 발생하는 원리
비눗방울을 아주 크게 확대해보면 아래 그림처럼 보일 것입니다. 얇은 막이지만 여하튼 두께는 가지고 있습니다. 맑은 날 공원에서 비눗방울을 만들어 불어 보면 수많은 태양빛이 이 비눗방울을 통과해 지나갈 것입니다. 하지만, 모든 빛이 다 통과하는 것은 아닙니다. 아래 그림처럼 일부는 표면에서 반사되기도 합니다.
빛의 반사는 두군데에서 일어나는데 비눗방울 막의 제일 바깥쪽 표면에서와 안쪽 내부 밑면에서 입니다. 표면에서 반사한 빛과 밑면에서 반사한 빛이 만나면 밑면에서 반사된 빛이 좀 더 긴 거리를 이동하였기에 파동의 간섭이 일어날 때 파동의 진폭이 변하게 됩니다.
비눗방울의 표면 두께가 모두 다른 만큼 빛의 간섭 정도는 비눗방울 표면에서 서로 같은 곳이 하나도 없을 것입니다. 그렇기에 빛 파동의 간섭으로 특정 빛의 색깔이 강해 지거나 없어지면서 알록달록 무지개무늬가 나타나는 것입니다.
물 위에 뜬 기름에서도 빛의 간섭이 발생
비눗방울과 같은 원리로 무지개빛이 나는 것은 물 위에 뜬 기름입니다. 기름 맨 위 표면에서 반사된 빛과 기름막 아래 밑면에서 반사된 빛이 서로 간섭하여 확연히 드러나는 빛이 있기도 빛이 나지 않기도 하는 것입니다.
