비누방울 무지개의 원리

몇 개월 외출을 자제하다가 요즘은 야외 산책은 가끔씩 다니고 있습니다.

그래서인지 산책길에서 만나는 풍경들이 다 반갑고 감사한 마음입니다.

못 가에서 비누방울을 불고 있는 아이들의 모습도 정겹고 

비누방울에 아롱이는 무지개도 새삼 아름답게 보입니다.

 

비누 방울

 

비누방울속의 세제의 역할

 

비누나 세제는 한쪽 끝은 물과 잘 결합하는 친수성기와 다른 한쪽은 기름과 결합하는 친유성기로 만들어진 계면 활성제입니다.

물과 잘 결합하는 성질로 비누-물-비누로 결합하면서 얇은 막으로 만들 수있게 됩니다. 비누막의 두께는 거의 1마이크로 미터(1μm, 1000분의 일mm)로 얇아서 공기중에서 물이 증발되면서 비누 방울이 깨지게 됩니다. 화창한 날에는 비누방울이 빨리 사라지는 이유이기도 합니다.

비누방울 속에 글리세린을 넣으면 글리세린이 물과 약한 수소 결합을 해서 물이 증발하는 것을 늦추어서 비누방울이 좀더 오래 터지지 않게 만들어 줍니다.

물, 세제와 글리세린의 비율을 1:1:3 정도로 만들면 아주 오래 터지지 않는 비누방울을 만들 수 있다고 하는데 제가 만들어 보지 않아 참고만 하시기 바랍니다.

 

비누방울이 둥근 이유

 

얇은 막으로 만들었지만 물은 서로를 잡아당기는 표면장력이 있습니다. 빨대나 둥근 고리에 있으면 고리에 연결되어 막을 만들고 있습니다.

훅 불고 나면 붙어 있는 곳이 사라지므로 물분자 끼리 잡아당기는 표면장력 때문에 물 분자끼리 잡아당기면서 표면적을 최소로 만들게 됩니다. 표면적이 가장 작은 모양이 공 모양이기 때문에 비누방울은 둥근 모양으로 만들어 집니다.

 

파동의 간섭 효과

 

빛은 파동입니다. 두 개의 마주보면서 움직이다가 파동이 만나면 마루와 마루가 만나면 두배의 마루가 되지만 마루와 골이 만나면 빛의 세기가 영이 됩니다.

 

다가오는 파동(위)과 합쳐진 파동(아래)

 

빛이 얇은 막에 도달하면 겉면에서 반사되는 빛과 물에 들어가서 경계에서 반사된 두 빛이 간섭을 해서 더 밝아진 빛이 눈에 강하게 보입니다.

얇은 막에서의 반사

백색광에서 설명을 위해 색깔로 구분한 것이지 빛의 색깔은 아닙니다. 파란화살표는 물 표면에서 반사하면서 골과 마루가 바뀌게 되고 빨간 화살표처럼 반사되는 빛은 골 마루는 바뀌지 않지만 파란색 화살표보다 더 많이 이동하게 되니 반사된 후 두 빛이 만날 때 마루와 마루가 만나는 경우 더 밝게 보입니다.

빛의 왕복거리(물 두께의 두배)가 물 속에서의 파장의 0.5배나 1.5배, 혹은 2.5배가 되는 빛만 밝게 보이는 것입니다.

 

무지개가 생기는 이유

 

보는 방향에서 태양 빛이 들어오면서 위치마다 조금씩 두께가 다릅니다. 빛의 얇은 막에서의 간섭 효과로 밝아지는 빛이 보라빛이 될 수도 있고 초록색이 될 수도 있습니다.

실제 두께가 다르다면 더 알록달록한 무지개를 볼 수 있게 됩니다.