전자기파 (electromagnetic wave) 정의 및 관련 내용

 

전자기파 (Electromagnetic wave)

전자기파는 전자기장의 흐름에서 발생하는 일종의 전자기 에너지, 즉 전기장과 자기장이 공간으로 방사되는 파동을 의미한다. 전기가 흐를 때 주위로 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데, 이들이 주기적으로 바뀌며 생기는 파동을 전자기파라고 한다.

흔히 말하는 '빛'은 인간의 눈으로 감지할 수 있는 가시광선 영역의 전자기파를 말한다. 전자기파에는 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 라디오파(전파)와 같은 것들이 속한다.

 

이때 광자(Photon)에 대한 이론을 알고 있어야 한다.

빛(전자기)은 입자성과 파동성을 가진다. 이 중 입자성을 가리키는 부분이 '광자', 파동성을 가리키는 부분이 '전자기파'로 나타난다. 전자기장은 과학자들이 관측하기에 따라 입자로 보이기도 파동으로 보이기도 하기 때문에, 광자란 이 전자기장의 입자스러움을 의미하는 명칭이기도 하다.

광자는 모든 전자기파를 구성하는 양자(quantum)이자 전자기력의 매개입자이다. 광자는 질량을 갖지 않기 때문에 장거리에서의 상호작용이 가능하며, 양자역학과 입자-파동 이중성 이론을 통해 설명될 수 있다. 광자는 파동과 양자라는 두 가지 관측 가능한 모습을 가진다. 빛이므로 당연히 광속으로 운동하고, 이때 에너지는 E=hv로, 운동량은 p=hv/c로 설명된다.

 

전자기파와 빛의 종류

 

1. 감마선 (Gamma Rays)

보라색보다 짧은 파장 구역이 자외선, 더 짧아지면 X선, 그것보다 더 짧으면 감마선이라 부른다. 감마선은 핵폭발과 연관되는 방사선이며, 진동수와 에너지가 매우 강해 투과력이 높아지므로 몸에 굉장히 해로울 수 있다. 생물체의 세포를 파괴시킬 수도 있고 암을 유발할 가능성도 있다. 하지만 이러한 원리를 이용해 멸균이나 살균, 생물의 발아억제와 같은 분야에 사용되기도 한다. 

 

2. X선 (X-Rays)

X선은 감마선보다는 긴 파장, 자외선보다는 짧은 파장을 갖는, 가시광선 파장의 약 1000분의 1에 해당하는 전자기파이다. 전자가 물체에 빠르게 충돌하면 투과력이 강한 복사선(전자기파)이 방출되는데, 이 짧은 파장의 복사선을 X선이라고 한다. X선 역시 엄연한 방사선이기 때문에 피부암을 유발할 가능성이 있고, 매우 강한 X선은 암을 유발할 가능성도 있다. 따라서 환자가 일 년에 한두 번 촬영하는 엑스레이는 괜찮을지 몰라도, 임산부의 경우 태아에 위협적일 수 있고, 관련 종사자일 경우에도 적절한 방사선 방호 장비를 통해 몸을 보호하는 것이 필요하다.

 

3. 자외선 (Ultraviolet Rays, UV)

자외선은 가시광선보다 짧은 파장을 갖는 전자기파로, 감마선 및 X선과 마찬가지로 인간 눈에 보이지 않는다. 자외선은 주로 태양에서 발생하지만 지구 대기의 오존층에 의해 일부 흡수되기도 한다. 자외선은 태양광 및 자외선 조명, 살균, 청정실에서의 사용 등 다양한 분야에서 활용된다. 하지만 장기간 노출될 경우 피부 손상, 피부암, 백내장 등 다양한 건강 문제를 일으킬 수 있어 유의해야 한다.

 

자외선은 크게 세 가지 범주로 나뉜다.

1. UV-A(장파 자외선): 파장이 320~400 nm 정도로 가장 길다. 대부분의 자외선 복사 중 가장 많은 부분을 차지하며, 대기 중의 산소 및 오존층을 거의 통과하여 지표면에 도달한다. UV-B에 비해 에너지량은 작지만 피부를 그을릴 수 있고, 피부의 깊은 층까지 침투할 수 있어 피부 탄력을 감소시키고 미세주름을 유발할 수 있다.
2. UV-B(중파 자외선): 파장이 280~320 nm 정도로, 지구 대기에서 일부 흡수되지만 일부는 지표면에 도달한다. 피부 외층에 주로 영향을 미치며, 태양 광선에 의한 피부 화상과 관련이 있는 전자기파이다. 피부 세포의 DNA에 손상을 일으킬 수 있어 피부암의 원인 중 하나로 알려져 있다. 또한, 피부에서 프로비타민 D를 활성화시켜 인체에 필수적인 비타민 D로 전환시켜 준다.
3. UV-C(단파 자외선): 파장이 100~280 nm 정도로 매우 짧은 자외선이다. 지구 대기 오존층에서 거의 완전히 흡수되므로 지표면에 도달하지는 않는다. 인공적으로 생성되거나 특수한 일부 환경에서만 발견된다. 염색체 변이를 일으키고 단세포 유기물을 죽일 수 있으며, 눈의 각막을 해치는 등 해로운 영향을 미친다.

 

4. 가시광선 (Visible Rays)

가시광선은 인간 눈으로 볼 수 있는 전자기파의 범위를 나타낸다. 일반적으로 380 나노미터(nm)에서 780 나노미터 파장 범위에 걸쳐 있으며, 이 범위에서 다양한 색상의 빛을 육안으로 인지할 수 있다. 태양광 스펙트럼은 자외선, 가시광선, 적외선으로 구성되는데, 이때 가시광선이 스펙트럼에서 가장 큰 부분을 차지한다. 빛의 색상은 물체가 해당 파장을 흡수하고 반사하는 정도에 따라 결정된다. 예를 들어, 어떤 물체가 파란색의 빛을 흡수한다고 해도 반사하는 파장 빛에 의해 그 물체는 파란색이 아닌 다른 색으로 나타날 수 있다는 것이다. 가시광선은 일상생활에서 광학, 미디어 디스플레이, 미술, 색채 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 또한 광합성과 인간의 일상생활에 영향을 미치는 중요한 자원이다.

 

5. 적외선 (Infrared Rays, IR)

적외선은 가시광선보다 긴 파장을 갖는 전자기파의 한 형태이다. 파장이 일반적으로 700 nm 에서 1 밀리미터(= 1,000 nm) 사이에 위치한다. 적외선은 열을 나타내는데 주로 사용되며, 이는 물체의 온도에 따라 방출되는 열을 감지하여 이미지를 생성하는 데 사용된다. 

 

적외선은 크게 세 가지 범주로 나뉜다.

1. 근적외선 (Near Infrared, NIR): 700 nm에서 1,400 nm 파장 대역의 적외선이다. 근적외선은 주로 센서 및 통신 시스템에 활용된다.
2. 중적외선 (Mid Infrared, MIR): 1,400 nm 에서 3 마이크로미터 파장 대역의 적외선이다. 중적외선은 열 이미징 및 환경 모니터링에 사용되며, 물 분자와의 상호 작용이 강하게 나타난다.
3. 원적외선 (Far Infrared, FIR): 3 마이크로미터에서 1밀리미터 이상의 파장 대역을 갖는 적외선이다. 원적외선은 열복사 및 열 이미징에서 주로 사용되며, 물체의 상대적으로 낮은 온도에서 방출되는 열을 감지한다.

적외선의 응용 분야는 다양하다. 물체의 온도를 측정하거나 열 분포를 이미지로 나타내는 데 사용되고, 열 카메라 및 열 감지기는 적외선을 활용해 물체의 열을 시각적으로 표현한다. 근적외선은 통신 분야에서 사용되어 광통신으로 일부로 사용된다. 적외선 이미징은 의료 분야에서 혈액 흐름, 열 손실, 조직 상태 등을 평가하는 데 사용된다. 적외선 카메라는 어두운 환경에서도 물체를 감지하고 식별하는 데 사용된다.

 

6. 마이크로파 (Microwaves)

마이크로파는 파장이 수 밀리미터에서 1미터까지도 이르는 전자기파의 한 종류이다. 살균력이 강하고 식물이나 물에 잘 흡수되어 열을 발생하는데, 이러한 특성을 적용한 것이 전자레인지이다. 마이크로파는 다양한 분야에서 활용되는 다목적 전자기파로, 그 특별한 파장과 주파수 범위가 다양한 기술 및 응용 분야에 기여하고 있다.

 

마이크로파의 주요 응용 분야는 다음과 같다.

1. 통신: 마이크로파는 무선 통신에서 사용되는 주파수 범위 중 하나이다. 레이더 시스템, 위성 통신, 무선 네트워크(Wi-Fi), 망원전파 통신 등이 파미크로파를 이용한다.
2. 의료 응용: 마이크로파 이미징은 조직의 구조를 측정하는 데 사용되며, 마이크로파 치료는 암 조직을 치료하는 데 실험적으로 연구되고 있다.
3. 레이더: 마이크로파 레이더 시스템은 대기권이나 바다 표면과 같은 대규모 환경에서 물체를 탐지하고 추적하는 데 사용된다.
4. 마이크로파 오븐: 마이크로파는 물 분자와 상호 작용하여 음식을 가열하는 데 사용된다. 마이크로파 오븐은 가정용 및 상업용 부엌에서 널리 사용된다.
5. 과학 연구: 마이크로파는 천문학에서 우주에서 발생하는 전자기파를 관측하는 데 사용되며, 기상 관측 및 지구 관측에도 활용된다.

 

7. 라디오파 (Radio waves)

라디오파는 몇 mm에서 수 km까지 이르는 전자기파이다. 다른 곳에 흡수되지 않고 잘 반사되는 특성이 있다. 라디오파는 빛의 속도(1초에 30만km)로 정보를 전달할 수 있고, 대부분의 고체, 진공, 대기를 통과할 수 있기 때문에 통신에 매우 유용하게 활용된다.

 

마이크로파의 주요 응용 분야는 다음과 같다.

통신: 라디오파는 무선 통신에서 주로 사용된다. 라디오 방송, 휴대전화 통신, 무선 인터넷(Wi-Fi), 소규모 무선 통신 시스템 등에서 라디오파가 이용된다.

라디오 방송: 라디오파는 오디오 신호를 전송하는 데 사용된다. AM (Amplitude Modulation)과 FM (Frequency Modulation) 방송은 라디오파의 다양한 주파수 범위에서 이루어진다.

위성 통신: 인공위성은 지구의 한 지역에서 다른 지역으로 정보를 전송하는 데 라디오파를 사용한다. 위성 텔레비전, 전화 통화, 인터넷 통신 등이 여기에  해당한다.

레이더: 라디오파를 이용한 레이더(RAdio Detection And Ranging)는 물체의 위치와 속도를 감지하는 데 사용한다. 기상 예측 및 군사용도에서 활용한다.

의료 응용: 라디오파는 의료 분야에서도 사용된다. MRI (Magnetic Resonance Imaging)에서는 라디오파가 사용되어 몸의 내부 이미지를 생성한다.

무선 에너지 전송: 일부 무선 전력 전송 시스템은 라디오파를 사용하여 에너지를 전송하는 데 활용된다.

우주 탐사: 라디오파는 천문학에서도 사용되어 외계 천체에서 발생하는 전자기파를 감지하고 연구한다.