거울에서 입사각과 반사각이 같아지는 이유

거울에서 입사각과 반사각이 같아지는 이유는 빛의 직진성과 반사 법칙, 그리고 거울의 표면 구조에 따른 파동의 행동 원리로 설명됩니다. 아래에 과학적으로 정리해드릴게요.

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1. 기본 개념

• 입사각: 빛이 거울에 부딪히는 각도 (입사선과 법선 사이)
• 반사각: 반사된 빛이 나가는 각도 (반사선과 법선 사이)
• 반사 법칙:
  "입사각 = 반사각" (거울이 평면일 때 항상 성립)

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2. 왜 ‘입사각 = 반사각’인가? (과학적 이유)

(1) 빛은 파동이자 입자이다 (양자역학 + 고전광학)

• 빛은 파동적인 성질을 가지며, **파면(wavefront)**이 반사면을 기준으로 대칭되게 움직입니다.
• 호이겐스의 원리(Huygens' Principle):
  파동의 모든 점은 새로운 파동의 중심이 되므로,
  입사파와 반사파의 파면이 같은 속도와 각도로 대칭이 되게 움직입니다 → 입사각 = 반사각

(2) 에너지 보존과 운동량 보존

• 빛은 운동량을 가짐. 거울에 반사되면 에너지와 운동량이 보존되어야 함.
• 가장 효율적으로 에너지가 전달되려면, 반사경로가 입사경로의 대칭이 되는 것이 가장 자연스러운 경로임 → 입사각 = 반사각

(3) 거울의 미세 구조가 평면이기 때문

• 거울은 아주 평평하게 만들어져서 광자가 닿는 모든 점에서 법선 방향이 동일
• 이 때문에 반사 방향도 일정하게 유지되며, 모든 빛이 일정 각도로 튕겨나감

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3. 쉬운 비유

• 당구공 튕기기와 비슷합니다.
  당구공을 벽에 일정한 각도로 튕기면, 그 반대 방향으로 정확히 같은 각도로 튕겨나가죠?
  빛도 에너지 덩어리이므로, 같은 방식으로 움직입니다.

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4. 예외가 생기는 경우

• 거울이 곡면일 경우: 입사각 = 반사각은 각 지점에서는 성립하지만 전체 경로는 굴절됨
• 표면이 거칠거나 불규칙한 경우: 난반사 발생 → 반사각이 제각각
• 매질이 다른 경우(굴절 포함): 스넬의 법칙(굴절 법칙)이 적용됨

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5. 요약

빛이 거울에 부딪혀 반사될 때 ‘입사각 = 반사각’이 되는 이유는,
파동의 대칭성, 에너지 및 운동량 보존, 그리고 평면 표면의 특성 때문입니다.

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혹시 반사와 굴절을 비교하거나, 왜 물에서는 빛이 꺾이는지도 더 알고 싶으신가요?