다이아몬드와 전반사

다이아몬드는 많이 사람들이 가지고 싶어하는 것은 반짝이는 아름다움 때문입니다. 탄소가 고온, 고압에서 산화, 환원과정을 거치면서 만들어집니다.

다이아몬드는 4C에 의해서 가격이 결정되는데, 색깔(color), 면가공(cut), 크기(carat)와 내용물(clarity)에 따라 등급이 매겨집니다. 이 중 반짝임을 결정하는 것은 연마 상태에 의한 면의 모양입니다. 물론 내부에 불순물이 없이 깨끗해야 빛이 똑바로 지나가므로 clarity도 영향을 주기는 합니다. 

전반사

빛은 물질 속에 들어가면 속력이 느려집니다. 진공에서 빛의 속력과의 비의 역수이므로 빛의 속력이 진공보다 반이라면 1/0.2로 굴절률이 2가 됩니다. 굴절률이 다른 물체에서 빛은 꺾여서 지나갑니다.

굴절률이 큰 물질에서 공기 중으로 빛이 지나가면 그림처럼 꺾이게 됩니다. i를 입사각이라고 부르고 r을 굴절각이라고 부릅니다. 굴절률이 큰 물질일수록 r이 커집니다.

입사각이 a보다 크지면 굴절되는 빛은 없고 모두 반사됩니다. 이것을 전반사라고 합니다.  굴절각이 90도가 될 때의 입사각 a를 임계각이라고 합니다. 굴절률이 클수록 굴절각이 크기 때문에 작은 입사각에서도 빨리 90도가 되므로 임계각이 작습니다. 더 많은 빛이 공기중으로 가지않고 다시 반사됩니다.

다이아몬드의 브릴리언트 컷

다이아몬드는 브릴리언트 컷이라는 형식으로 면을 만들면 가장 반짝거린다고 합니다. 위면은 그림처럼 33면으로 아래는 25면으로 다듬습니다.

 

위면(왼쪽)과 아래면(오른쪽)

빛은 진동수에 따라서 굴절되는 정도가 약간씩 다릅니다. 이전의 글인 무지개의 원리에서 살펴본 적이 있습니다. 백색광이 굴절되면서 빨강에서 보라까지 분산됩니다.

       2018/08/17 - [과학이야기/미술관에서] - 쇠라가 그린 무지개 원리

물은 굴절률이 1.3정도이고 유리는 1.5정도 입니다. 다이아몬드는 굴절률이 2.4정도여서 입사각이 면에 수직으로 들어오는 영도부터 25도 각도사이의 빛만 밖으로 나가고 나머지는 모두 반사됩니다. 

유리의 경우는 임계각이 41도이므로 유리로 만들었다면 굴절되어 유리속으로 들어온 빛이 첫번째 유리면과 만나면 임계각보다 큰각이므로 전반사가 한번 일어나고 두번째 면에서는 임계각보다 작아서 공기중으로 나가게 됩니다.

다이아몬드는 임계각이 25도이기 때문에 위의 빨간빛과 파란빛 모두 첫번째 면과 두번째면에서 임계각보다 큰각이기 때문에 두번 전반사가 일어나고 다시 윗면으로 반사됩니다. 이 때  무지개 빛으로 분리되고 다른 빛들과 합쳐져 화려하게 반짝이게 됩니다. 

여러각도에서 들어간 빛이 전반사를 여러번해서 되돌아 오도록 면을 연마해야 반짝이는 다이아몬드가 됩니다.