전반사

전반사 (全反射, Total Internal Reflection)는 광학에서 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때, 입사각이 특정 각도(임계각)보다 크면 빛이 굴절되지 않고 전부 반사되는 현상을 말한다. 즉, 빛이 매질의 경계면을 통과하지 못하고 원래 매질로 되돌아가는 현상이다.

원리

전반사는 빛이 굴절률이 다른 두 매질의 경계면에서 스넬의 법칙에 따라 굴절될 때 발생한다. 스넬의 법칙은 다음과 같이 표현된다.

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

여기서 n₁과 n₂는 각각 입사 매질과 굴절 매질의 굴절률이며, θ₁과 θ₂는 각각 입사각과 굴절각이다.

n₁ > n₂인 경우, 즉 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 빛이 진행하는 경우, 입사각 θ₁이 증가함에 따라 굴절각 θ₂도 증가한다. 어느 특정 입사각(임계각 θc)에 도달하면 굴절각 θ₂는 90°가 된다. 이 임계각보다 큰 입사각으로 빛이 입사하면 sin θ₂는 1보다 커야 하는데, 이는 불가능하므로 굴절이 일어나지 않고 모든 빛이 반사된다.

임계각 θc는 다음과 같이 계산할 수 있다.

sin θc = n₂ / n₁

활용

전반사는 광섬유 통신, 프리즘, 반사 망원경 등 다양한 분야에서 활용된다.

• 광섬유 통신: 광섬유는 빛을 내부에 가두어 전송하는 데 전반사 원리를 이용한다. 광섬유 내부의 굴절률이 외부보다 높기 때문에 빛은 광섬유 벽면에서 전반사를 반복하며 먼 거리를 손실 없이 이동할 수 있다.
• 프리즘: 프리즘은 빛을 반사하거나 분산시키는 데 사용되는데, 전반사를 이용하여 빛의 방향을 바꾸는 역할을 한다.
• 반사 망원경: 반사 망원경은 빛을 모으기 위해 거울을 사용하는데, 전반사 거울을 사용하여 빛의 손실을 줄이고 이미지를 더욱 선명하게 만들 수 있다.
• 내시경: 의료용 내시경은 몸속을 관찰하기 위해 광섬유를 사용하며, 전반사를 통해 이미지를 전달한다.
• 다이아몬드: 다이아몬드가 반짝이는 이유는 다이아몬드의 높은 굴절률과 특정 컷팅 각도 때문에 내부에서 전반사가 많이 일어나기 때문이다.

주의 사항

전반사는 반드시 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 빛이 진행할 때만 발생한다. 또한, 입사각이 임계각보다 작으면 전반사가 일어나지 않고 일부는 굴절되고 일부는 반사된다.