전자기파는 전기장과 자기장이 진동하며 전파되는 파동으로 파장에 따라 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 나뉩니다. 모든 전자기파는 진공에서 광속으로 전파되며 파장이 짧을수록 에너지가 높아지고, 각 영역은 고유한 특성과 응용을 가지며 통신, 의료, 천문학, 산업에서 인류 문명을 지탱하는 필수 기술입니다.
맥스웰이 예언하고 헤르츠가 발견한 보이지 않는 파동
1865년 제임스 클러크 맥스웰은 전자기 이론을 완성했습니다. 네 개의 방정식으로 전기와 자기를 통합했습니다. 이 방정식에서 놀라운 예측이 나왔습니다. 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 파동으로 전파된다는 것입니다. 속도를 계산하면 정확히 빛의 속도였습니다. 맥스웰은 빛이 전자기파라는 것을 깨달았습니다. 더 나아가 다른 파장의 전자기파도 존재할 것이라고 예언했습니다. 당시 알려진 것은 가시광선과 적외선뿐이었습니다. 1888년 하인리히 헤르츠가 실험으로 증명했습니다. 고주파 교류 회로에서 불꽃 방전을 일으키면 멀리 떨어진 안테나에 전류가 유도되었습니다. 전자기파가 공간을 전파한 것입니다. 파장은 수 미터였습니다. 전파의 발견이었습니다. 헤르츠는 전자기파를 반사, 굴절, 간섭시켰습니다. 빛과 같은 파동 성질을 보였습니다. 맥스웰의 이론이 완전히 검증되었습니다. 전자기파의 속도는 c = 1/√(ε₀μ₀)입니다. ε₀는 진공 유전율, μ₀는 진공 투자율입니다. 정확히 초속 299792458미터입니다. 빛의 속도입니다. 모든 전자기파는 진공에서 같은 속도로 전파됩니다. 파장과 진동수의 관계는 c = λ·f입니다. 파장이 길면 진동수가 낮고 파장이 짧으면 진동수가 높습니다. 에너지는 E = h·f입니다. 진동수에 비례합니다. 감마선이 가장 에너지가 높고 전파가 가장 낮습니다.
전자기파 스펙트럼의 각 영역과 특성
전파와 마이크로파 - 통신과 레이더
전파는 파장이 1밀리미터에서 수 킬로미터입니다. 긴 파장은 장애물을 잘 돌아가고 멀리 전파됩니다. AM 라디오는 중파로 수백 킬로미터 도달합니다. 야간에는 전리층 반사로 수천 킬로미터도 갑니다. FM 라디오와 TV는 초단파로 직진성이 강해 가시거리 통신입니다. 위성 통신은 마이크로파를 사용합니다. 파장이 1밀리미터에서 1미터입니다. 대기를 잘 통과하고 안테나가 작아도 됩니다. GPS는 L 밴드 1.5기가헤르츠입니다. 전자레인지는 2.45기가헤르츠입니다. 물 분자를 공명시켜 가열합니다. 레이더는 전자기파를 발사하고 반사되는 시간으로 거리를 측정합니다. 비행기, 선박, 기상 관측에 사용됩니다. 도플러 레이더는 주파수 변화로 속도를 측정합니다. 5G 통신은 밀리미터파를 사용합니다. 28기가헤르츠 이상입니다. 대역폭이 넓어 초고속 통신이 가능합니다. 하지만 직진성이 강하고 장애물에 약해 기지국이 많이 필요합니다. 전파 천문학은 우주에서 오는 전파를 관측합니다. 태양 폭발, 펄서, 초신성 잔해, 은하 중심 블랙홀이 전파를 방출합니다. 전파 망원경은 거대한 접시 안테나입니다. 아레시보 망원경은 직경 305미터였습니다. 2020년 붕괴했습니다. ALMA는 칠레 고산에 66개 안테나를 배치한 간섭계입니다. 밀리미터파로 먼지 속 별 탄생을 관측합니다.
적외선과 자외선 - 열과 화학 반응
적외선은 파장 700나노미터에서 1밀리미터입니다. 열복사입니다. 모든 물체는 온도에 따라 적외선을 방출합니다. 인체는 10마이크로미터 부근 적외선을 냅니다. 열화상 카메라로 감지합니다. 군사, 소방, 의료 진단에 사용됩니다. 원격 온도 측정도 가능합니다. 적외선 분광학은 분자의 진동을 측정합니다. 화학 결합마다 고유한 흡수 파장이 있습니다. 물질 분석과 성분 확인에 사용됩니다. 제임스 웹 우주 망원경은 적외선으로 관측합니다. 먼지에 가려진 별 탄생 영역과 초기 은하를 봅니다. 적색편이로 가시광선이 적외선이 된 먼 우주도 관측합니다. 자외선은 파장 10에서 400나노미터입니다. 가시광선보다 에너지가 높아 화학 반응을 일으킵니다. 태양 자외선은 대기 오존층이 대부분 흡수합니다. 일부가 지표에 도달하여 피부를 태우고 비타민D를 생성합니다. 과다 노출은 피부암을 유발합니다. 자외선 살균은 DNA를 파괴하여 세균과 바이러스를 죽입니다. 수처리, 공기 정화, 의료 기구 소독에 사용됩니다. 형광 물질은 자외선을 흡수하고 가시광선을 방출합니다. 형광등과 백색 LED가 이 원리입니다. 지폐 위조 방지 마크도 자외선으로 확인합니다. 자외선 천문학은 고온 별과 활동은하핵을 관측합니다. 대기가 흡수하므로 우주 망원경이 필요합니다. 허블 우주 망원경이 자외선도 관측합니다.
X선과 감마선 - 투과와 고에너지 현상
X선은 파장 0.01에서 10나노미터입니다. 1895년 뢴트겐이 발견했습니다. 투과력이 강해 의료 영상에 사용됩니다. 뼈는 칼슘이 많아 X선을 잘 흡수하고 살은 통과시킵니다. CT는 여러 각도에서 촬영하여 3차원 영상을 만듭니다. 공항 수하물 검색도 X선입니다. X선 회절은 결정 구조를 분석합니다. 브래그 법칙 nλ = 2d·sinθ로 원자 간격을 측정합니다. DNA 이중나선 구조가 X선 회절로 밝혀졌습니다. 싱크로트론은 고에너지 전자를 원형 궤도로 가속하여 강력한 X선을 만듭니다. 재료 과학, 생물학, 화학 연구에 사용됩니다. X선 천문학은 블랙홀, 중성자별, 초신성 잔해를 관측합니다. 수백만 도 플라즈마가 X선을 방출합니다. 찬드라 망원경이 고해상도 X선 영상을 제공합니다. 감마선은 파장 0.01나노미터 이하입니다. 가장 에너지가 높은 전자기파입니다. 핵반응과 방사성 붕괴에서 나옵니다. 방사선 치료는 감마선으로 암세포를 죽입니다. 정밀하게 조준하여 주변 조직 손상을 최소화합니다. 식품 조사는 감마선으로 살균하여 보존 기간을 늘립니다. 감마선 천문학은 우주에서 가장 격렬한 현상을 봅니다. 감마선 폭발은 초신성이나 블랙홀 병합에서 나옵니다. 펄서와 활동은하핵도 감마선을 냅니다. 페르미 망원경이 전천 감마선을 관측합니다.
전자기파가 만든 현대 문명
무선 통신은 마르코니가 1901년 대서양 횡단 전파 통신에 성공하며 시작되었습니다. 라디오, 텔레비전, 휴대폰, 와이파이, 블루투스 모두 전자기파입니다. 주파수 대역을 나누어 수많은 신호가 간섭 없이 공존합니다. 광섬유는 적외선 레이저로 초당 테라비트 데이터를 전송합니다. 인터넷 백본입니다. 리모컨은 적외선 LED로 신호를 보냅니다. 야간 투시경은 적외선을 증폭하거나 열복사를 감지합니다. 어둠 속에서 볼 수 있습니다. 분광학은 물질의 전자기파 흡수와 방출을 분석합니다. 별의 화학 조성, 대기 성분, 분자 구조를 밝힙니다. 레이저는 단색 전자기파를 증폭합니다. 정밀 측정, 통신, 의료, 제조에 필수입니다. 중력파 검출기 LIGO는 레이저 간섭계로 시공간의 미세한 변화를 측정합니다. 전자기파 차폐는 민감한 장비를 보호합니다. 페러데이 케이지는 금속으로 둘러싸 외부 전자기파를 차단합니다. 스텔스 기술은 레이더파를 흡수하거나 다른 방향으로 반사시킵니다. 전자기파는 우주를 이해하는 창입니다. 가시광선은 전체 스펙트럼의 극히 일부입니다. 다른 파장으로 관측하면 완전히 다른 우주가 보입니다. 전파는 차가운 가스와 먼지, 적외선은 따뜻한 먼지와 별 탄생, X선은 고온 플라즈마와 블랙홀을 봅니다. 다파장 천문학이 우주의 전체 모습을 드러냅니다. 맥스웰이 수식으로 예언한 보이지 않는 파동은 현대 문명의 기반이 되었습니다. 통신, 의료, 과학, 산업 모든 곳에서 전자기파가 작동합니다. 눈에 보이지 않지만 우리를 둘러싸고 있습니다. 전자기파 스펙트럼은 자연이 제공한 무한한 도구상자입니다.