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적외선 복사의 발견 (The Discovery of Infrared Radiation)

뉴턴에서 현대 복사측정학(Radiometry)까지

복사측정학(Radiometry)은 파장과 상관없이 전자기 복사의 측정과 전달을 연구하는 분야입니다. 이 용어는 종종 이러한 복사의 양, 질, 그리고 영향에 대한 탐지와 평가까지 포함합니다.

적외선 복사의 발견은 1666년으로 거슬러 올라갑니다. Sir Isaac Newton(1642–1727)은 태양빛을 유리 프리즘에 통과시켜 분산시키고, 빛을 가시 스펙트럼의 색으로 나누는 실험을 처음으로 보여주었습니다.

Sir William Herschel(1738–1822)은 1800년에 이 탐구를 한 단계 더 발전시켰습니다.

그림 1. 연구자 Sir William Herschel이 1800년에 적외선 복사를 발견함

Herschel은 새로운 광학 재료를 연구하는 과정에서 끝이 검게 칠해진 수은 온도계를 사용하여, 프리즘을 통해 굴절된 서로 다른 색상의 열적 특성을 측정했습니다. 실험 중, 온도계를 가시적 빨간색 영역 너머로 이동시키자 점차 온도가 올라가는 것을 관찰했습니다. 놀랍게도, 가장 높은 온도는 눈에 보이지 않는 빨간색 바로 뒤, 즉 현재 적외선 파장 영역으로 알려진 구간에서 기록되었습니다. Herschel은 적외선 복사를 발견했을 뿐 아니라, 처음으로 파장에 따른 에너지 분포를 그리려 시도하기도 했습니다.

그림 2. 연구자 Sir William Herschel이 프리즘을 이용해 태양빛을 스펙트럼으로 분산시키고, 가시 빨간색 너머에서 발견한 적외선 영역을 강조함

그 다음, Johann Lambert(1728–1777)는 방출자와 수신기 사이의 각도와 관련하여, 방사된 에너지가 그 각도의 코사인에 비례함을 발견했습니다. 20세기 초까지, Max Planck, Josef Stefan, Ludwig Boltzmann, Wilhelm Wien, Gustav Kirchhoff와 같은 과학자들은 전자기 스펙트럼을 이해하기 위한 이론적 기초를 더욱 발전시켰습니다. Gustav Kirchhoff(1824–1887)는 표면의 방사율(emissivity)이 흡수율과 같다는 것을 발견했고, Joseph Stefan(1835–1893)은 모든 파장에서의 소스의 총 방사 출력을 방사율 곱하기 상수 곱 온도의 4제곱과 같다고 결정했습니다.

그럼에도 불구하고 현대 복사측정학의 중심 인물은 Max Karl Ernst Ludwig Planck(1858–1947)입니다. Planck은 흑체 복사를 단순한 방정식으로 설명하고, 에너지 양자 이론을 개발한 것으로 가장 잘 알려져 있습니다. 그는 Rayleigh-Jeans 근사가 긴 파장에서 실험과 잘 맞고, Wien 법칙이 짧은 파장에서 잘 작동함을 발견한 후, 두 가지를 모두 포함하는 수학적 근사식을 고안했습니다. William Coblentz(1873–1962)는 Planck의 방정식을 처음으로 실험적으로 검증했습니다. 역사적으로, 흑체 복사는 종종 유리 용융을 관찰하는 방식으로 대략적으로 측정되었습니다.

1918년, Planck은 이 업적으로 노벨상을 수상했습니다. 흥미롭게도, Planck 자신은 자신의 연구 결과에 대해 회의적이었습니다. 오늘날 그 가치를 충분히 평가받지 못할 수 있지만, 흑체 복사를 기술한 것은 과학과 공학에서 기념비적인 업적입니다. Planck가 핵심적인 역할을 했지만, Newton, Melloni, Bouguer, Leslie 등 많은 다른 과학자들도 크게 기여하여 전자기 스펙트럼을 이해하는 이론적 틀을 확장했습니다. [1,2,3]

요약

- 1666: 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 유리 프리즘을 사용해 빛의 분산을 실험적으로 보여주었습니다.

- 1800: 윌리엄 허셜(William Herschel)은 가시적 빨간색 스펙트럼 너머의 열을 감지하여 적외선 복사를 발견했습니다.

- 20세기 초: 플랑크(Planck), 슈테판(Stefan), 볼츠만(Boltzmann), 빈(Wien), 키르히호프(Kirchhoff) 등 과학자들이 적외선 에너지를 설명하는 이론적 모델을 발전시켰습니다.

- 이들의 연구는 현대 적외선 온도계와 복사 이론의 기초를 확립했습니다.

출처

- Hecht, Eugene. Optik, Berlin, Boston: De Gruyter, 2018. https://doi.org/10.1515/9783110526653

- Miller, J. L., Friedman, E., Sanders-Reed, J. N., Schwertz, K., & McComas, B. (2020). Photonics rules of thumb (No. PUBDB-2021-03249). Bellingham, Washington: SPIE Press. https://doi.org/10.1117/3.2553485

- De Witt, Nutter: Theory and Practice of Radiation Thermometry, 1988, John Wiley & Son, New York