파장

파동에는 주파수처럼 "시간"으로 재는 값도 있지만, "길이"로 재는 값도 있습니다. 바로 파장입니다. 아래 눈금자(모눈)로 직접 재어 봅시다.

마루에서 다음 마루까지의 거리

파장(波長)은 파동이 한 번 반복되는 데 걸리는 거리를 말합니다. 마루(가장 높은 곳)에서 바로 다음 마루까지, 또는 골에서 다음 골까지의 거리로 잴 수 있습니다. 슬라이더로 파장을 바꾸면서 모눈 위에서 파동이 늘어나고 줄어드는 모습을 관찰해 보세요.

환산 주파수 ≈ 3.0 Hz

빨간 화살표 구간이 파장 1개 길이입니다. 파동의 속도가 일정하다고 가정했을 때의 참고용 환산 주파수도 함께 보여줍니다.

파장이 짧을수록 주파수는 높다

슬라이더를 왼쪽(파장 짧음)으로 움직이면 환산 주파수가 올라가고, 오른쪽(파장 김)으로 움직이면 환산 주파수가 내려가는 것을 볼 수 있습니다. 이는 주파수 편에서 배운 것처럼, 전파의 속도가 일정하기 때문에 파장과 주파수가 서로 반대로 움직이기 때문입니다.

예를 들어 AM 라디오 전파의 파장은 수백 m나 되지만, Wi-Fi에 쓰이는 전파의 파장은 약 12 cm 정도로 훨씬 짧습니다. 그만큼 Wi-Fi 전파의 주파수가 AM 라디오보다 훨씬 높다는 뜻입니다.

핵심 정리

  • 파장은 파동이 한 번 반복되는 거리이며, 마루에서 다음 마루까지로 잽니다.
  • 전파의 속도가 일정하므로, 파장이 짧을수록 주파수는 높고 파장이 길수록 주파수는 낮습니다.
  • 같은 원리로 AM 라디오(파장 김)와 Wi-Fi(파장 짧음)의 주파수 차이가 매우 큽니다.

좀 더 알아보기 — 파장으로 보는 전파의 세계

파장과 주파수는 \(\lambda = c / f\)로 묶여 있어서 둘 중 하나만 알면 다른 하나가 정해집니다(수식과 안테나 크기 이야기는 주파수 편의 '좀 더 알아보기'에 있습니다). 여기서는 파장의 눈으로 볼 때 더 잘 보이는 이야기들을 모아 보았습니다.

전파의 이름은 파장에서 왔다

"단파 라디오", "밀리미터파"처럼 전파의 종류는 흔히 파장의 길이로 부릅니다. 파장이 10배 짧아질 때마다(주파수가 10배 높아질 때마다) 이름이 하나씩 바뀝니다.

이름파장주파수주요 쓰임
장파1 ~ 10 km30 ~ 300 kHz표준시 전파, 항법
중파100 m ~ 1 km300 kHz ~ 3 MHzAM 라디오
단파10 ~ 100 m3 ~ 30 MHz국제 방송, 아마추어 무선
초단파1 ~ 10 m30 ~ 300 MHzFM 라디오
극초단파10 cm ~ 1 m300 MHz ~ 3 GHzTV, 휴대전화, Wi-Fi(2.4 GHz), 전자레인지
센티미터파1 ~ 10 cm3 ~ 30 GHz위성 통신, 레이더, KVN 22 GHz
밀리미터파1 ~ 10 mm30 ~ 300 GHz5G 밀리미터파, KVN 43·86·129 GHz
서브밀리미터파0.1 ~ 1 mm300 GHz ~ 3 THz고산지대의 전파망원경 관측
파장에 따라 전파의 성질이 달라진다

전파가 무언가를 만났을 때 어떻게 행동하는지는 그 물체가 파장에 비해 큰가, 작은가에 달려 있습니다.

  • 장애물을 돌아가는 성질(회절) — 파장이 장애물만큼 길거나 더 길면 전파가 장애물을 휘돌아 뒤쪽까지 전달됩니다. 파장이 수백 m인 AM 라디오는 산 너머나 건물 뒤에서도 잘 들리지만, 파장이 수 m인 FM은 산그늘에서 끊기기 쉽고, 파장이 1 cm 안팎인 5G 밀리미터파(28 GHz)는 손바닥이나 벽에도 쉽게 막혀 기지국을 촘촘하게 세워야 합니다.
  • 빗방울과 수증기 — 파장이 mm 정도로 짧아지면 빗방울 크기와 비슷해지고 공기 중 수증기에도 잘 흡수됩니다. 그래서 KVN의 129 GHz 같은 높은 주파수 관측은 날씨의 영향을 크게 받아, 맑고 건조한 날이 관측하기 좋은 날입니다.
  • 전리층 반사 — 파장이 수십 m보다 긴 전파는 지구 상공의 전리층에 반사됩니다. 단파 방송이 지구 반대편까지 닿는 것은 이 덕분이지만, 같은 이유로 우주에서 오는 아주 긴 파장의 전파는 땅까지 내려오지 못합니다. 지상에서 우주를 볼 수 있는 파장 범위인 '전파 창'은 전자기파 편에서 자세히 다룹니다.
천문학자는 파장으로 부른다 — 우주의 '지문' 스펙트럼선

원자나 분자는 저마다 정해진 파장의 전파만 내보냅니다. 그래서 그 파장이 잡히면 우주 어디에 어떤 물질이 있는지 알 수 있습니다. 전파천문학자들은 이런 전파를 흔히 파장 이름으로 부릅니다.

  • 21 cm선 — 중성수소 원자가 내는 전파(1420.4 MHz)입니다. 우주에서 가장 흔한 원소인 수소가 어디에 얼마나 있는지 보여 주어, 우리은하의 나선팔 모양을 처음 그려 낸 일등 공신입니다.
  • 1.3 cm 물(H₂O) 메이저 — 별이 태어나는 곳이나 늙은 별 주변의 물 분자가 내는 강한 전파(22.235 GHz)로, KVN 22 GHz 대역의 주요 관측 대상입니다.
  • 7 mm·3 mm·2 mm 일산화규소(SiO) 메이저 — 늙은 별을 둘러싼 가스에서 나오는 전파로, 각각 KVN의 43·86·129 GHz 대역에 해당합니다. KVN은 네 대역을 동시에 받아 같은 천체를 여러 파장으로 한꺼번에 관측할 수 있습니다.
파장이 늘어나고 줄어든다 — 도플러 효과

구급차가 다가올 때는 사이렌 소리가 높게, 멀어질 때는 낮게 들립니다. 소리를 내는 쪽이 움직이면 파동이 앞쪽에서는 압축되고 뒤쪽에서는 늘어나기 때문입니다. 전파도 마찬가지여서, 천체가 우리에게서 멀어지면 파장이 길어지고(적색이동) 다가오면 짧아집니다(청색이동). 천체의 속도(v)가 빛의 속도보다 훨씬 느리면 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

\[\frac{\Delta \lambda}{\lambda_0} = \frac{\lambda_{\text{관측}} - \lambda_0}{\lambda_0} \approx \frac{v}{c}\]

예를 들어 초속 100 km로 멀어지는 수소 구름의 21 cm선은 약 0.07 mm 길어져, 주파수로는 약 0.47 MHz 낮아집니다. 아주 작은 변화이지만 전파망원경은 이를 정확히 잴 수 있습니다. 이렇게 잰 속도로 은하가 어떻게 회전하는지 알아냈고, 눈에 보이는 물질만으로는 설명할 수 없을 만큼 빠른 회전 속도에서 암흑물질의 존재가 드러났습니다.

🔧 집에서 직접 해보기 — 전자레인지로 파장 재기

전자레인지 안에서는 약 2.45 GHz의 전파가 벽에 반사되며 겹쳐, 전파가 강한 곳과 약한 곳이 일정한 간격으로 생깁니다(정상파). 강한 곳끼리의 간격은 파장의 절반입니다.

  1. 회전 접시를 빼고, 넓은 접시에 판초콜릿이나 마시멜로를 고르게 깝니다.
  2. 접시가 돌지 않게 한 채 15~20초 정도만 짧게 가열합니다.
  3. 먼저 녹은 자리들 사이의 간격(d)을 자로 잽니다. 약 6 cm가 나올 것입니다.
  4. 파장은 λ = 2d(약 12 cm)이고, 전자레인지 뒷면 표시의 주파수(2,450 MHz)를 곱하면 λ × f ≈ 0.12 m × 2,450,000,000 Hz ≈ 초속 약 30만 km, 바로 빛의 속도가 나옵니다!

⚠️ 반드시 어른과 함께 하고, 빈 전자레인지를 돌리거나 금속 그릇을 넣지 마세요. 가열 직후의 초콜릿은 뜨거우니 주의하세요.

🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

원리 자세히 보기

  • 파장은 '간섭'으로 잰다 — 한 줄기의 빛을 두 갈래로 나누었다가 다시 합치면, 두 길의 길이 차이가 파장의 정수배일 때는 밝아지고(보강 간섭) 반 파장 어긋나면 어두워집니다(상쇄 간섭). 마이컬슨 간섭계는 거울 하나를 천천히 움직이며 밝고 어두운 무늬가 몇 번 바뀌는지 셉니다. 거울이 반 파장 움직일 때마다 무늬가 하나씩 지나가므로, 가시광선이면 0.0003 mm 정도의 아주 작은 길이도 셀 수 있습니다.
  • 미터는 이제 빛의 속도로 정한다 — 1983년부터 1 m는 '빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 가는 거리'로 정의됩니다. 빛의 속도가 정확한 값으로 정해졌기 때문에, 주파수만 정확히 재면 파장은 λ = c/f로 계산해 정확히 알 수 있습니다. 길이의 표준이 결국 시간(주파수)의 표준과 이어진 것입니다 (주파수 편의 1초 정의 참고).
  • 파장보다 작은 구멍은 벽이 된다 — 전자레인지 문에는 수 mm 크기의 구멍이 뚫린 금속망이 있습니다. 파장 약 12 cm인 전파에게 이 구멍은 너무 작아 막힌 벽처럼 보이지만, 파장이 0.0005 mm 정도인 빛은 쉽게 지나가므로 안이 보입니다.
  • 전선 속에서는 파장이 짧아진다 — 전파가 동축 케이블 속을 지날 때는 속도가 진공에서보다 느려져(흔한 케이블에서 대략 빛의 2/3), 같은 주파수라도 파장이 그만큼 짧아집니다. 그래서 안테나와 케이블의 길이를 맞출 때는 이 차이를 따져야 합니다.
  • 전파 간섭계도 '파장 단위'로 잰다 — 멀리 떨어진 전파망원경들의 신호를 합칠 때, 같은 천체의 전파가 각 망원경에 도착하는 길이의 차이를 파장의 몇 분의 1까지 맞춰야 선명한 영상을 얻습니다. KVN이 쓰는 방법입니다(간섭계 원리).

길이와 파장 측정의 역사

시기사건의미
1790년대미터의 탄생프랑스가 북극에서 적도까지 자오선 길이의 1000만분의 1을 1 m로 정하고, 1799년 백금 막대로 만든 미터 원기를 국가 표준으로 삼았습니다.
1875 / 1889년미터 협약과 국제 미터 원기여러 나라가 미터 협약을 맺고, 1889년 백금-이리듐 합금으로 만든 국제 미터 원기를 세계 공통의 길이 기준으로 정했습니다.
1880년대마이컬슨 간섭계빛을 두 갈래로 나누었다 합쳐 파장의 몇 분의 1까지 길이 차이를 재는 장치가 만들어졌습니다.
1892~1893년빛의 파장으로 잰 미터마이컬슨과 브누아가 국제 미터 원기의 길이가 카드뮴 붉은 빛 파장의 몇 배인지 간섭계로 재어, 빛의 파장으로 길이를 정할 수 있음을 보였습니다. 마이컬슨은 1907년 노벨 물리학상을 받았습니다.
1959년우리나라 미터 협약 가입우리나라도 미터법을 국제 기준에 맞추어 쓰기 시작했습니다.
1960년크립톤 빛의 파장으로 정한 미터금속 막대 대신 크립톤-86 원자가 내는 주황빛 파장의 1,650,763.73배를 1 m로 정해, 누구나 실험실에서 같은 길이를 만들 수 있게 되었습니다.
1983년빛의 속도로 정한 미터빛의 속도를 초속 299,792,458 m로 고정하고 1 m를 빛이 가는 거리로 정의했습니다.
2015년간섭계로 잡은 중력파팔 길이 4 km의 거대한 레이저 간섭계(LIGO)가 원자핵보다도 훨씬 작은 길이 변화를 잡아내 중력파를 처음 검출했고, 2017년 노벨 물리학상을 받았습니다.

비유로 설명하기

  • 파장은 "걸음의 보폭"과 같습니다. 걷는 속도 = 보폭 × 1초에 걷는 걸음 수인 것처럼, 빛의 속도 = 파장 × 주파수입니다. 모두가 같은 속도로 걸어야 한다면 보폭이 짧은 사람(짧은 파장)은 발을 더 빨리 놀려야(높은 주파수) 합니다.
  • 전자레인지 문의 금속망은 "모기장"과 같습니다. 덩치 큰 모기(파장이 긴 전파)는 막고, 아주 작은 것(파장이 짧은 빛)은 통과시킵니다.

자주 하는 오해

  • "전파는 그림처럼 구불구불 지그재그로 날아간다" — 전파는 곧게 나아갑니다. 물결 그림은 한 곳에서 전기장의 세기와 방향이 커졌다 작아졌다 하는 모습을 그래프로 그린 것입니다.
  • "그림에서 파동의 위아래 높이도 길이(m)이다" — 가로로 잰 파장은 실제 거리이지만, 세로 높이는 공간에서 무엇이 몇 m 출렁인다는 뜻이 아니라 전기장의 세기, 즉 진폭을 나타냅니다.

함께 해 볼 질문·활동

  • 긴 줄이나 용수철 장난감(슬링키)의 한쪽 끝을 고정하고 흔드는 빠르기를 바꿔 가며 제자리에서 출렁이는 물결(정상파)을 만들고, 출렁이지 않는 점(마디) 사이의 간격을 줄자로 재어 "빨리 흔들수록 파장이 짧아진다"를 확인하기
  • CD와 DVD 뒷면에 빛을 비춰 무지개를 비교하기. 홈 사이 간격(CD 약 1.6 μm, DVD 약 0.74 μm)이 빛의 파장과 비슷해 파장마다 다른 방향으로 꺾이기 때문이며, 간격이 좁은 DVD 쪽 무지개가 더 넓게 퍼집니다.
  • "전자레인지 문으로 안이 보이는데 왜 전파는 새어 나오지 않을까?" 위의 '모기장' 비유로 설명해 보기

📚 참고 자료 및 출처

본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.

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