반사(反射)는 크게 두 가지 주요 의미로 사용되는 학술 용어이다.
1. 물리학에서의 반사 (Reflection)
반사는 파면(wavefront)이 서로 다른 두 매질의 경계면(계면)에서 진행 방향을 바꾸어 원래의 매질로 되돌아오는 현상을 말한다. 대표적인 예로 빛, 소리, 수면파의 반사가 있다.
반사의 법칙
반사면이 매우 매끄러운 경우 발생하는 정반사(規則反射, specular reflection)에서는 다음의 세 가지 법칙이 성립한다.
- 입사 광선, 반사 광선, 그리고 입사점에서 반사면에 대한 법선(normal)은 동일한 입사면 위에 있다.
- 입사각(θi)과 반사각(θr)의 크기는 항상 같다(θi = θr).
- 반사 광선과 입사 광선은 법선의 반대편에 위치한다.
이 법칙들은 프레넬 방정식(Fresnel equations)으로부터 도출될 수 있으며, 고전 전자기학에서는 맥스웰 방정식과 하위헌스 원리(Huygens' principle)에 의해 설명된다.
반사의 종류
- 정반사(正反射): 거울과 같이 매끄러운 표면에서 입사각과 반사각이 동일하게 유지되는 반사. 영상을 형성한다.
- 난반사(亂反射, diffuse reflection): 표면의 미세한 불규칙성으로 인해 빛이 모든 방향으로 산란되는 반사. 대부분의 물체가 눈에 보이는 것은 난반사에 의한 것이다.
- 전반사(全反射, total internal reflection): 빛이 굴절률이 더 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때, 입사각이 임계각보다 크면 모든 빛이 경계면에서 반사되는 현상.
- 재귀반사(再歸反射, retroreflection): 빛이 들어온 방향으로 정확히 되돌아가도록 반사되는 현상. 교통 표지판, 자동차 번호판, 야생 동물의 망막(휘판, tapetum lucidum) 등에서 관찰된다.
- 복소 공액 반사(위상 공액): 비선형 광학 과정을 통해 빛의 파면이 반전되어 들어온 방향으로 정확히 되돌아가는 현상.
기타 파동의 반사
- 소리의 반사: 종파인 소리가 평면 표면에 부딪힐 때 반사되며, 메아리를 발생시킨다. 건축음향학 및 소음 완화 이론에서 중요한 개념이다.
- 지진파 반사: 지구 내부의 지층 경계면에서 반사되며, 지진학자들이 지구의 층상 구조를 파악하고 석유·천연가스 매장지를 탐사하는 데 활용된다.
- 중성자 반사: 베릴륨과 같은 물질이 중성자를 반사하는 성질은 원자로와 핵무기에 사용된다.
2. 생리학에서의 반사 (Reflex)
반사는 자발적이지 않으면서도 자극에 반응하여 거의 즉각적으로 일어나는 운동을 말한다. 반사 작용의 명령은 대뇌 피질 이외의 중추 부위(척수, 연수, 중뇌 등)에서 나오며, 감각기에서 들어온 정보가 대뇌 피질의 운동령을 경유하지 않고 운동 신경으로 직접 전달됨으로써 빠른 반응이 가능해진다.
반사궁(反射弓, reflex arc)
반사를 조절하는 신경 경로를 반사궁이라고 한다. 감각 뉴런이 척수에서 직접 시냅스를 형성하여 뇌를 경유하지 않고 운동 뉴런을 활성화함으로써 빠른 반사 작용이 가능하다.
반사의 종류
- 척수 반사: 가장 짧은 경로를 취하는 반사. 슬개건 반사(무릎 반사), 신장 반사(伸張反射), 굽힘 회피 반사(통증 자극에서 신체를 보호하는 반사), 교차 신전 반사 등이 있다.
- 연수 반사: 감각 정보가 연수까지 갔다가 되돌아오는 반사. 긴장성 목반사 등 다양한 자세 반사가 이에 해당한다.
- 중뇌 반사: 직립 반사(고양이가 거꾸로 떨어질 때 몸을 회전시켜 바른 자세로 착지하는 현상) 등.
- 원시 반사: 신생아에게 나타나는 반사로, 움켜쥐기 반사 등이 있다.
- 조건 반사: 파블로프의 조건 반사 실험으로 잘 알려져 있으며, 학습과 경험에 의해 형성되는 반사이다.
반사 작용의 반응 시간은 일반적으로 약 150~300밀리초(ms) 정도이다.
