전자기파 — 전파와 X선은 같은 빛일까

라디오는 전파를 받고, 전자레인지는 마이크로파로 음식을 데우고, 병원에서는 X선으로 뼈를 찍습니다. 이름이 다 다르니 서로 다른 것 같습니다. 그런데 이것들은 모두 전자기파입니다. 우리 눈에 보이는 햇빛도 전자기파의 한 종류입니다. 전파와 X선은 정말 같은 빛일까요. 답은 "파장이 다를 뿐 같은 파동" 입니다.

전기장과 자기장이 서로를 만들며 퍼지는 파동

물결파는 물이 흔들려 퍼지고, 소리는 공기가 흔들려 퍼집니다(파동의 성질). 전자기파는 흔들리는 것이 물질이 아닙니다. 전하가 흔들리면 그 둘레의 전기장이 변하고, 변하는 전기장은 자기장을 만들며, 변하는 자기장은 다시 전기장을 만듭니다. 이 둘이 서로를 만들어 내며 공간으로 퍼져 나가는 것이 전자기파입니다. 매질이 필요 없어 진공에서도 전달됩니다. 태양의 빛이 텅 빈 우주 공간을 건너 지구에 오는 까닭입니다.

전기장과 자기장은 서로 수직으로 진동하고, 파동은 그 둘 모두에 수직인 방향으로 나아갑니다. 진행 방향과 진동 방향이 수직이니 전자기파는 횡파입니다. 그리고 종류가 무엇이든 진공에서의 속력은 모두 같습니다. 빛의 속력 $c$ 입니다.

속력이 같으니 파장 $\lambda$ 와 진동수 $f$ 는 서로 반비례합니다. 파장이 길면 진동수가 작고, 파장이 짧으면 진동수가 큽니다. 진동수 100 MHz 인 FM 방송 전파의 파장은 3 m 이고, 전자레인지가 쓰는 2.45 GHz 마이크로파의 파장은 12 cm 입니다.

파장으로 나눈 전자기파의 종류

전자기파는 파장이 긴 쪽부터 전파 · 마이크로파 · 적외선 · 가시광선 · 자외선 · X선 · γ선으로 나눕니다. 경계가 칼로 자른 듯 분명한 것은 아니고, 같은 파동을 파장 구간에 따라 이름만 다르게 부르는 것입니다. 이 가운데 사람 눈이 느끼는 것은 파장 400 nm 에서 700 nm 사이의 가시광선뿐입니다. 그 안에서도 파장이 긴 쪽이 빨강, 짧은 쪽이 보라입니다. 가시광선보다 파장이 긴 쪽에 적외선, 짧은 쪽에 자외선이 있습니다. 이름이 그렇게 붙은 까닭입니다.

파장이 짧을수록 진동수가 크고, 전자기파가 실어 나르는 에너지도 큽니다. 전파는 에너지가 작아 몸을 그냥 지나가지만, 자외선은 피부 세포를 상하게 하고, X선과 γ선은 몸속 깊이 뚫고 들어가 세포를 파괴할 수 있습니다. 같은 전자기파인데 전파는 온종일 쬐어도 괜찮고 X선은 납으로 가리는 까닭이 여기 있습니다.

종류마다 쓰임이 다릅니다

• 전파: 파장이 길어 멀리 가고 건물을 돌아갑니다. 라디오·텔레비전 방송, 휴대 전화 통신.
• 마이크로파: 물 분자를 흔들어 음식을 데웁니다(전자레인지). 레이더, 위성 통신, 와이파이.
• 적외선: 물체가 내는 열을 실어 나릅니다. 열화상 카메라, 리모컨, 적외선 온도계. 온실 효과에서 지표가 내보내는 것도 적외선입니다.
• 가시광선: 눈으로 보는 빛. 조명, 광학 현미경, 광통신.
• 자외선: 세균을 죽이고 형광 물질을 빛나게 합니다. 살균, 위조지폐 감별. 햇빛의 자외선은 오존층이 대부분 막아 줍니다.
• X선: 투과력이 커서 몸을 통과하되 뼈에서는 막힙니다. 의료 촬영, 공항 수하물 검색.
• γ선: 원자핵에서 나오며 에너지가 가장 큽니다. 암 치료, 의료 기구 멸균.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 파장 순서를 묻습니다. 긴 쪽부터 전파 > 마이크로파 > 적외선 > 가시광선 > 자외선 > X선 > γ선. 진동수와 에너지는 그 반대 순서입니다.
• 진공에서의 속력은 종류와 관계없이 모두 같습니다. "파장이 짧으면 더 빠르다" 는 틀린 보기입니다.
• $c = f\lambda$ 로 파장이나 진동수를 구합니다. 파장이 10배 길면 진동수는 10분의 1.
• 전자기파는 횡파이고 매질 없이 진공에서 전달됩니다. 소리는 종파이고 매질이 필요합니다.
• 가시광선 안에서 빨강은 파장이 길고 보라는 짧습니다.
• 쓰임을 짝짓습니다. 전자레인지 – 마이크로파, 열화상 – 적외선, 살균 – 자외선, 뼈 촬영 – X선, 암 치료 – γ선.

자주 헷갈리는 것

• "전파는 빛이 아니다" — 눈에 안 보일 뿐 가시광선과 같은 전자기파입니다. 진공에서 빛의 속력으로 나아갑니다.
• "X선은 에너지가 커서 더 빠르다" — 속력은 같습니다. 큰 것은 진동수와 에너지이고, 짧은 것은 파장입니다.
• "적외선은 뜨거운 물체만 낸다" — 온도가 있는 모든 물체가 적외선을 냅니다. 사람 몸도, 얼음도 냅니다. 뜨거울수록 더 많이, 더 짧은 파장으로 낼 뿐입니다.

정리합니다. 전자기파는 전기장과 자기장이 서로를 만들며 퍼지는 횡파이고, 매질 없이 진공에서 빛의 속력으로 나아갑니다. 전파에서 γ선까지는 파장만 다른 한 가족이며, 파장이 짧을수록 진동수와 에너지가 큽니다. 그 차이가 방송 전파와 X선 촬영이라는 다른 쓰임을 만듭니다.