과학과 빛｜고재현 교수와 함께 읽는 『빛의 핵심』 3강｜고재현
과학과 빛의 관계를 다루는 분광학은 전자기파를 파장별로 나누어 그 세기를 조사하는 학문입니다. 이는 물질 내부의 원자나 분자가 가진 에너지 준위가 양자화되어 존재한다는 양자역학적 원리에 기반합니다. 전자가 가질 수 있는 에너지는 바닥 상태와 여기 상태로 나뉘며, 이러한 에너지 구조는 원소마다 고유한 특성을 보입니다. 따라서 스펙트럼은 원소나 분자를 구분하는 일종의 '주민등록증'이나 '지문'과 같은 역할을 하며, 우리는 이를 통해 빛을 내는 대상의 성분을 정확히 추적할 수 있습니다. 요세프 프라운호퍼는 태양 빛을 분광기로 측정하여 연속적인 스펙트럼 사이에 나타나는 검은색 흡수선인 프라운호퍼 선을 발견했습니다. 이는 태양이나 지구의 대기 속에 존재하는 특정 원소들이 자신에게 맞는 특정 파장의 빛을 흡수하면서 생기는 현상입니다. 예를 들어, 소듐 원소가 대기에 존재하면 노란색 영역에서 날카로운 두 개의 흡수 스펙트럼이 나타납니다. 이러한 원리를 이용하면 직접 가볼 수 없는 먼 천체의 대기에 어떤 물질이 포함되어 있는지, 혹은 지구 대기의 성분이 무엇인지 직접적인 증거를 확보할 수 있습니다. 원자뿐만 아니라 분자의 진동과 회전 역시 양자화되어 있어, 이를 측정하면 물질의 정체를 파악할 수 있습니다. 인도의 물리학자 찬드라세카라 라만은 특정 분자에 빛을 비추었을 때 분자의 진동수에 따라 빛의 파장이 변하는 '라만 산란' 현상을 발견했습니다. 레이저 빛이 분자와 충돌하며 에너지를 주고받는 과정에서 발생하는 이 미세한 진동수 변화를 추적하면, 대상이 물인지 혹은 특수한 화합물인지를 명확히 판별할 수 있습니다. 오늘날 라만 분광법은 분자의 고유한 지문을 읽어내는 강력한 도구로 활용되고 있습니다. 라만 분광법은 산업과 연구 현장에서 광범위하게 사용됩니다. 나노 물질의 구조를 분석하거나 피부나 뼈와 같은 바이오 물질을 구분하는 것은 물론, 마약 탐지나 석유화학 공정 모니터링에도 필수적입니다. 특히 예술 분야에서는 비파괴 분석을 통해 그림에 사용된 안료의 분자 진동을 측정하여 작품의 진위를 판별하는 데 기여합니다. 또한 거미줄의 진동 속도나 물질 내 음파의 진행을 레이저로 측정함으로써, 도플러 효과를 통한 외계 행성의 기상 현상 탐지까지 그 영역을 확장하고 있습니다. 마지막으로 빛은 극한의 압력 환경에서 물질이 어떻게 변하는지 연구하는 데 사용됩니다. 기압을 수백만 배 이상 높이면 섭씨 100도에서도 물이 얼음이 되는 등 물질의 상태가 상상치 못한 방식으로 변화합니다. 다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell)을 사용하여 시료에 압력을 가하며 레이저로 분석하는 기술은 목성이나 토성 같은 거대 행성의 내부 상태를 간접적으로 연구하는 길을 열어줍니다. 이처럼 빛과 물질의 상호작용을 연구하는 광 기술은 미시적인 원자 세계부터 광활한 우주의 신비까지 밝혀내는 핵심적인 열쇠입니다.
