두 슬릿이 스크린에 줄무늬를 그린다
빛을 두 개의 좁은 틈으로 보내면 스크린에 밝고 어두운 줄무늬가 규칙적으로 나타난다. 두 틈에서 나온 파동이 만나 마루끼리 겹치면 밝아지고, 마루와 골이 겹치면 어두워지기 때문이에요. 밝은 줄의 조건은 두 경로의 길이 차이가 파장의 정수배일 때, 곧 d sinθ = mλ 이고, 화면 위 줄 간격은 Δy = λL/d로 정해진다. 이 강은 빛을 연속적인 파동으로 보는 고전적인 관점이다. 광자 하나하나가 이 무늬를 어떻게 쌓는지는 양자역학의 qm-wave-particle 강에서 다뤄요. 줄의 간격이 그 식 두 줄에 다 들어 있다.
슬릿 사이 간격 d를 넓히면 줄무늬가 촘촘해진다. 줄 간격이 Δy = λL/d라서 간격이 커질수록 분모가 커지기 때문이에요. 가시광선은 파장이 매우 짧아, 줄무늬를 눈에 보일 만큼 벌리려면 슬릿 간격을 밀리미터보다 작게 만들어야 한다. 간격을 키우면 스크린의 밝은 띠들이 서로 가까워지고 줄 간격도 함께 줄어들어요. 벌릴수록 줄은 가까워진다.
이번에는 파장을 바꾼다. 줄 간격의 분자에 파장이 있으니, 파장이 길수록 줄 간격이 넓어져요. 그래서 붉은빛은 줄무늬가 넓게 벌어지고 푸른빛은 촘촘하게 모인다. 여러 색이 섞인 빛을 쓰면 가운데 줄은 모든 색이 같은 자리에 겹쳐 희게 보이지만, 양옆 줄은 색마다 자리가 달라 무지개처럼 번져요. 색을 바꾸면 같은 장치에서도 파장에 따라 무늬 폭이 달라진다. 긴 파장이 넓은 줄을 만든다.
슬릿과 스크린 사이 거리를 늘리면 무늬 전체가 커진다. Δy = λL/d에서 거리가 분자에 있어, 멀수록 줄 간격이 비례해 벌어지기 때문이에요. 각도는 그대로인데 멀리 갈수록 같은 각이 더 큰 간격으로 벌어진다. 다만 거리를 늘리면 무늬가 넓어지는 대신, 같은 빛이 더 큰 면적에 퍼져 밝기는 그만큼 어두워져요. 거리를 늘리면 무늬가 확대되는 것이 보인다. 넓어지는 만큼 어두워진다.
스크린 위의 탐침을 위아래로 옮기면, 각 위치에서 두 슬릿까지의 경로 길이 차이 d sinθ 가 계산된다. 이 차이가 파장의 정수배와 딱 맞으면 그 자리가 밝은 줄이고, 반정수배면 어두운 줄이에요. 경로차가 반 파장만큼 어긋난 (m+½)λ 인 자리에서는 한 파동의 마루가 다른 파동의 골과 겹쳐 상쇄되므로 어두운 줄이 된다. 탐침을 옮겨 차수 m이 0, 1, 2 로 바뀌는 자리를 찾으면 밝은 띠와 맞아떨어지는지 확인할 수 있어요. 차수가 줄의 자리를 가리킨다.
슬릿을 하나로 바꾸면 넓고 부드러운 밝기 봉우리 하나만 남는다. 이것이 하나의 넓은 틈이 만드는 회절 무늬예요. 다시 두 틈으로 바꾸면 그 봉우리 안쪽이 촘촘한 간섭 줄무늬로 잘게 나뉜다. 두 틈의 무늬는 하나의 틈이 만든 포락선 안에서 춤을 추는 셈이다. 틈 하나의 폭이 좁을수록 회절 봉우리는 더 넓게 퍼져, 그 안에 더 많은 간섭 줄무늬가 담겨요. 이 포락선 이야기는 다음 강 회절로 이어진다. 한 틈의 폭이 여러 줄의 집을 정한다.