10. 재료와 빛

빛은 광자로서 존재하며 플랑크 방정식을 만족한다.
$E = hv = \frac{hc}{\lambda}$

일반적으로 전자구름은 전기장과 작용하여 분극이 유도된다.
이에 따라 복사 에너지를 흡수하거나
매질을 통과하는 빛에 속도를 줄인다.
두번째 경우가 빛의 굴절이다.
굴절률: $n = \frac{c}{v}$

스넬의 법칙을 통해 굴절각으로 굴절률을 계산할 수 있다.
$\frac{n_{1}}{n_{2}} = \frac{\sin{\phi_{2}}}{\sin{\phi_{1}}}$
이때 굴절각은 표면에 대하여 수직인 선분에 대한 각이다.

만약 입사각이 임계각 이상이라면, 반사각은 90º가 된다.

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빛은 고체와 상호작용하며 통과되거나 흡수되거나 반사된다.
$I_{0} = I_{T} + I_{A} + I_{R}$

비교적 적은 흡수와 반사가 일어나면 투명하고,
산란되면 반투명하며, 가시광선이 전혀 통과하지 못하면 불투명하다.

 

흡수

흡수는 광자에너지가 밴드 갭보다 큰 경우에만 일어난다.
$hv = \frac{hc}{\lambda} > E_{g}$

Beer의 법칙으로 농도가 높으면 흡수가 잘 되고,
Lambert의 법칙으로 투과 길이가 길수록 흡수가 잘 된다.
($I'_{T} = I'_{0}e^{-\beta l}$)

 

반사

반사는 굴절되지 않고 계면에서 산란된 빛을 말한다.
$n = \displaystyle\frac{I_{R}}{I_{0}} = \Big(\frac{n_{s}-1}{n_{s}+1}\Big)^{2} = \Big(\frac{n_{2} - n_{1}}{n_{2}+n_{1}}\Big)^{2}$
굴절지수가 클수록 반사율도 커진다.

금속의 경우 반사율이 높아 표면이 반짝인다.


고분자에 대하여
비결정질 폴리머는 산란되지 않고 대부분 투과된다.
이와 달리 준결정질의 경우 비정질과 결정질 2가지 매질이 존재하여
산란이 많이 일어나고 결과적으로 불투명해진다.

 

투과

굴절되지 않는다고 가정하면,
반사되고 남은 빛은 다 투과된다고 할 수 있다.
따라서 투과된 세기는 다음과 같이 표현된다.
$I_{T} = I_{0}(1-R)^{2}e^{-\beta l}$