편광 현미경의 원리를 자세하게 이해해보기

<사장석의 편광현미경 간섭색>

 

편광현미경에 관한 내용은 지구과학 2 교과서에서 제법 중요하게 다루어 지는 내용으로, 시험에도 자주 출제되는 부분이기도 합니다. 실제로 편광 현미경을 이용해 암석을 관찰하면 알록달록한 아름다운 색깔들을 만날 수 있기도 합니다.

 

기본적으로는 빛의 편광을 이용하여 광물이나 암석을 관찰하고, 광물을 분류할 수 있는것이 굉장히 중요한 내용입니다. 그래서인지 교과서에서는 편광현미경의 원리까지 자세하게 다루지는 않고요. 예를들어 직교니콜에서는 간섭색, 개방니콜에서는 다색성, 이런식으로 그냥 외울수 밖에 없게끔 되어있습니다. 

 

이런 부분이 안타까워 여기서는 소광, 간섭색, 다색성 등 편광 현미경에서 볼 수 있는 다양한 자연현상의 원리를 알아보고자 합니다.

 

  1. 편광현미경의 구조

영어를 번역해 박스가 보여 다소 지저분 하지만, 보는데는 큰 무리가 없으니..ㅠ 

왼쪽의 광파 진행 경로와 함께 편광현미경을 두었습니다.

 

1) 편광현미경의 맨 아래에서 자연광이 나옵니다. 

2) 광원에서 나온 자연광은 바로 하부편광판을 통과하며 진동방향이 한 쪽 방향으로만 편광되고

3) 다시 회전이 가능한 제물대 위에 있는 박편을 통과하며 박편의 2개 진동방향으로 분리되며

4) 상부에 있는 상부 편광판을 통과하면서 다시 편광됩니다

5) 그리고 마지막으로 우리 눈에 들어오게 됩니다.

 

** 여기서 우리가 주목할 것이 하부 편광판과 상부 편광판, 그리고 회전이 가능한 제물대입니다.

생명과학에서 다루는 현미경은 기본적으로 편광 기능은 없습니다. 편광현미경에만 편광이 있는데, 편광된 빛으로 광물을 보았을 때 광물마다 독특한 광학적 특성이 나타나기 때문에 편광된 빛으로 광물을 보면 광물의 여러가지 과학적 특성을 판단할 수 있습니다. 그래서 편광현미경을 사용합니다.

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  2. 편광이란 무엇인가?

자연광은 전기장과 자기장이 사방으로 진동하며 진행하는데, 이때 전기장과 자기장의 진동방향은 수직입니다. 편광이라는 것은 전기장이나 자기장이 어느 특정방향으로만 진동하게 되는 것을 의미합니다. 편광은 자연상태에서도 일어날 수 있지만, 편광판을 이용해 강제로 편광이 일어나도록 할 수 있습니다. 아래 그림을 보면 쉽게 알 수 있습니다.

 

그림을 보면 왼쪽에서 자연광이 들어옵니다. 사방으로 진동하고 있죠. 예제에 있는 편광판은 위 아래로 진동하는 빛만 통과를 허락합니다. 그래서 위아래 방향 진동 성분만 있는 빛만 통과하고 있습니다.

 

여기서 우리는 편광의 원리를 정확하게 이해하기 위해 알아야 하는 법칙이 하나 있습니다. 말루스 법칙(Malus' law)이라는 건데요, 아래에서 설명하겠습니다.

 

  3. 말루스 법칙(Malus law)

인터넷을 뒤져보면 말루스 법칙에 대한 내용이 나오는데, 우리에게 꼭 필요하 내용만 간단히 설명하면, 편광판의 진동 방향과 정확히 같지 않더라도, 편광판의 진동방향과 같은 방향의 성분만 가지고 있으면 통과할 수 있다는 내용입니다. 물론 통과 후 세기는 감소하지만. 이게 무슨 소리인지 아래 그림을 통해 자세히 알아 보겠습니다.

위 그림을 이용해 설명해 보겠습니다. I₀ 이라는 자연광이 편광판 1에 입사하면, 편광판1의 진동방향의 빛만 통과합니다. 다음으로 빛은 편광판 2를 통과할 차례인데, 편광판 2의 진동방향은 편광판 1을 통과한 빛의 진동 방향과 각 θ만큼 각도가 틀어져 있습니다. 이 경우 아예 통과를 못하는게 아닙니다. 아래 그림을 보면 알 수 있습니다.

편광판 1을 통과하여 위 아래 방향으로 진동하는 빛 I는 편광판 2를 만났을 때 빛이 통과할 수 있는 이유는 다음과 같습니다. 빛 I의 진동 방향은 편광판 2의 진동방향으로 진동하는 벡터와, 이에 수직방향으로 진동하는 벡터 2개로 분리할 수 있습니다. 그 중 편광판 2와 평행한 방향의 벡터만 통과 가능하며, 이 때 이 벡터의 크기는 간단하게 I×cosθ 가 됩니다. 그러니까 원래보다 약해지는 것이겠죠.

 

같은 논리로 최초의 빛 I₀ 에서 편광판 1을 통과하는 빛은 편광판 1과 평행한 방향으로 진동하는 빛만 통과하는게 아니라, 편광판 1과 평행한 방향의 벡터 성분을 가진 모듯 빛이 통과할 수 있습니다. 통과하지 못하는건 오로지 수직방향으로 진동하는 빛만 통과하지 못하는 것입니다.

 

  4. 간섭색과 소광, 다색성이 쉽게 이해된다

그럼 이제 간섭색이나 소광, 다색성이 나타나는 원리를 쉽게 받아들일 수 있습니다. 모두 원리가 같습니다.

먼저 간섭색을 보겠습니다.

<간섭색>

광학적 이방체의 경우 하부니콜을 통과한 빛이 박편을 통과하며 2개 광파로 쪼개지게 됩니다. 박편의 진동방향이 위 그림처럼 비스듬하게 놓여있으면 하부니콜을 통과한 빛은 박편의 2개 진동방향 벡터를 모두 가지기 때문입니다. 이 2개 광파가 오로지 단 한개의 진동만 허락받는 상부니콜을 통과하면 이때 두 빛의 진동이 서로 간섭을 일으켜 이상한 색이 나오게 되는 겁니다.

 

직교니콜에서나 나타나는 소광도 쉽게 이해할 수 있습니다.

<소광이 나타난 상태>

<소광의 예. 박편의 진동방향이 하부니콜과 평행한 성분이 있을 때 소광이 일어난다>

소광은 직교니콜에서 제물대를 360도 회전했을 때 4번 어두워지는 현상인데

박편의 진동방향이 위 그림처럼 배열되는건 360도 회전에 4번 나타납니다. 박편이 저리 배열되면 하부니콜을 통과한 빛의 광파는 단 하나만 박편을 통과하게 됩니다. 그럼 상부니콜을 전혀 통과하지 못하여 검게 보이게 됩니다.

 

다색성도 쉽게 이해가 됩니다.

<흑운모의 다색성>

다색성은 개방니콜에서 나타나는 현상입니다.

상부니콜이 없기 때문에 박편을 통과한 두개 광파는 회전할 때 마다 진동 크기가 달라지면서 광물이 빛을 흡수하는 정도가 달라져 색이 어두워졌다 밝아지는데, 회전하면서 어느 경우에는 단 하나의 광파만 올라올 때고 이때 어둡게 보이겠죠.

  5. 광학적 등방체 광물은 직교니콜에서는 보이지 않는다

광학적 등방체 광물은 모등 방향에서 입사하는 빛의 속도를 변화시키지 못합니다. 어느방향으로 입사하건 빛은 단 하나의 광파로만 튀어나가죠. 이런 아이들을 광학적 등방체라 하고 단굴절이 일어난다라고 얘기합니다. 그래서 이런 아이들은 직교니콜상에서는 시커멓게 보입니다. 위 내용을 잘 이해했다면 이 현상도 어렵지 않게 이해할 것으로 생각 됩니다.

위 그림에서 garnet이라고 써있는 아이는 석류석입니다. 석류석은 대표적인 등축정계, 광학적 등방체 광물인데 직교니콜에서 시커멓게 보이는 것을 알 수 있습니다.

 

다음번에도 도움 될만한 내용으로 포스팅 하도록 하겠습니다.

 

이번 포스팅은 여기까지~~!!