2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2004 · 문제 13 · 광학

접시 위의 작은 노을 — 달걀흰자

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2004 문제 13 ‘Egg White’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2004 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「빛과 파동」(빛의 색·빛의 합성) / 고등학교 통합과학1 「과학의 기초」(측정과 어림)·과학탐구실험1(탐구 수행) / 물리학 「빛과 물질」(빛의 산란·굴절, 파장과 색) — 하늘색·노을처럼 대기의 빛 산란은 지구과학 대기 단원과도 맞닿은 심화 (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

빛의 산란, 레일리 산란, 미(Mie) 산란, 틴들 효과, 파장 의존성, 탁한 매질(혼탁 매질), 콜로이드, 단백질 변성, 응고(젤화), 산란체, 산란 계수, 광학 두께, 다중 산란, 투과광과 산란광, 소산, 유백광(오팔 현상), 전방 산란

원리 살펴보기

날달걀 흰자는 투명한데, 삶은 흰자에 손전등을 대면 왜 반대편으로 새어 나온 빛이 붉게 보일까? 날흰자 속 단백질은 물에 곱게 풀려 있어 빛을 거의 그대로 통과시키지만, 열을 받으면 풀렸다가 서로 엉겨(변성·응고) 눈에 보이지 않는 수많은 알갱이로 뭉치고, 이 알갱이가 빛을 튕겨 내는 산란체가 된다. 이때 짧은 파장(파랑)이 긴 파장(빨강)보다 훨씬 잘 튕겨 옆으로 빠져나가므로, 곧게 남아 통과하는 빛에는 빨강이 더 많이 남는다.

저녁 노을이 붉어지는 것과 같은 갈래다 — 짧은 파장이 먼저 걷혀 나가는 파장 선택 산란이다. 한낮의 햇빛은 공기층을 짧게 지나 파란빛이 사방으로 산란돼 하늘을 파랗게 물들이지만, 해질 무렵엔 두꺼운 대기를 비스듬히 지나며 파란빛을 거의 다 잃고 붉은빛만 남아 눈에 닿는다. 삶은 흰자 조각은 이 두꺼운 저녁 대기를 손바닥만 한 크기로 압축해 놓은 셈이어서, 조각이 두꺼울수록 통과한 빛은 더 붉어진다. 옆으로 샌 산란광이 푸른지 흰빛에 가까운지는 조각이 얼마나 뿌연가에 달렸다 — 대기와 묽은 우유는 산란체가 잘아 푸르지만, 삶은 흰자는 산란체가 커서 미·다중 산란이 섞인다.

파장에 따라 다르게 튕기는 이 산란은 여러 곳에서 쓰인다. 대기 광학은 하늘색과 노을, 안개의 짙기를 산란으로 설명하고, 광산란 입도·탁도 측정(탁도계·비탁계)은 물·음료·의약품의 탁한 정도를 산란광으로 재어 농도를 알아내며, 유백(오팔) 유리·조명 확산판은 일부러 산란체를 넣어 빛을 부드럽게 퍼뜨리고, 의료 조직 광학은 살갗·조직의 산란·흡수 정도로 병변을 진단하거나 레이저 치료 깊이를 가늠한다.

실험 설계

준비물

완숙으로 삶은 달걀(흰자), 얇게 저밀 칼과 도마, 손전등이나 흰색 LED(또는 저출력 레이저 포인터), 대조용으로 물에 우유·커피메이트를 조금 푼 투명 수조, 두께가 다른 흰자 조각 여러 개, 흰 종이 스크린, 스마트폰(사진·분광기 앱), 자.

변인

독립변인은 빛이 지나는 삶은 흰자 조각의 두께이다(대조 실험에서는 우유 수조의 농도만 따로 바꾼다). 종속변인은 조각을 통과한 투과광의 색, 곧 스펙트럼이 붉은 쪽으로 치우친 정도이다. 통제변인은 광원의 종류와 밝기, 흰자를 삶은 정도(응고 상태), 조각과 스크린·카메라 사이의 거리와 각도, 주변 조명이다.

실험 순서

  1. 달걀을 완전히 삶아 흰자를 여러 두께로 얇게 저민다. 어두운 방에서 흰자 조각 뒤에 손전등(또는 흰색 LED)을 대고, 반대편으로 새어 나온 빛의 색을 흰 종이나 카메라로 관찰한다.

  2. 조각의 두께를 얇은 것부터 두꺼운 것까지 바꿔 가며 같은 광원으로 되풀이해, 두께에 따라 투과광이 얼마나 더 붉어지는지 같은 설정의 사진으로 기록한다.

  3. 이번엔 조각의 옆쪽에서 새어 나오는 산란광의 색을 관찰해, 정면으로 통과한 투과광의 색과 나란히 견준다.

  4. 스마트폰 분광기 앱이나 간이 분광기로 광원 자체의 스펙트럼과 조각을 통과한 빛의 스펙트럼을 각각 찍어, 짧은 파장(파랑) 쪽이 얼마나 줄었는지 비교한다.

  5. 대조로, 물에 우유나 커피메이트를 조금 푼 수조에 같은 빛을 통과시켜, 흰자에서와 같은 붉은 투과광과 푸른 산란광이 나타나는지 확인한다.

안전 안내

⚠ 안전

레이저 포인터는 저출력(1·2등급)만 쓰고, 빛을 눈에 직접 비추거나 거울·물 표면에 반사시켜 남의 눈에 들어가지 않게 한다. 달걀 삶는 뜨거운 물과 김에 데지 않도록 조심하고, 갓 삶은 달걀은 식힌 뒤 다룬다. 칼로 흰자를 저밀 때 손을 베지 않도록 도마 위에서 천천히 자르고, 실험에 쓴 달걀은 상하기 쉬우니 먹지 말고 버린다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

흰자 조각을 두껍게 할수록 반대편으로 통과한 빛의 색은 어떻게 달라질까? 그리고 조각의 옆에서 새어 나오는 산란광은 통과광과 같은 색일까, 다른 색일까?

자료 정리

두께가 다른 조각들의 투과광 사진을 나란히 놓아 색 변화를 견주고, 분광기 앱으로 얻은 스펙트럼은 가로축 파장·세로축 빛의 세기로 그려 광원의 스펙트럼과 겹쳐 본다. 두께가 커질수록 짧은 파장 쪽이 더 깎이는지, 투과광의 대표 색이 붉은 쪽으로 얼마나 옮겨 가는지를 살핀다. 정면 투과광과 옆면 산란광의 스펙트럼도 겹쳐 대비한다. (수치는 실제 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

조각이 두꺼울수록 투과광은 더 붉어지고 파란 쪽 스펙트럼이 더 많이 깎이는 경향이, 옆에서 본 산란광은 묽게 푼 대조군에서 푸르스름해질 것으로 예상된다. 투과광이 붉어지고 산란광이 푸르게 엇갈린다면, 그것이 짧은 파장이 더 잘 산란된다는 것을 눈으로 보여 주는 직접 증거다. 곧 삶은 흰자 조각 하나로 하늘색과 노을을 손안에 재현하는 셈이다. 다만 단백질 알갱이가 파장만큼 커지면 산란이 파장을 덜 가리는 미(Mie) 영역으로 넘어가 붉어짐이 약해질 수 있어, 응고 정도에 따라 색이 어떻게 달라지는지는 파일럿으로 확인해야 한다.

더 탐구하기

  1. 삶는 시간·온도를 바꿔 응고 정도가 다른 흰자를 만들고, 산란과 붉어짐이 얼마나 달라지는지 비교해 보자(날흰자에서는 왜 이 현상이 없는지도 생각해 보자).

  2. 묽은 우유·커피메이트 수조, 담배 연기, 유백유리, 비누 푼 물처럼 투과광이 붉어지는 다른 예들을 찾아 같은 방법으로 견줘 보자(원문의 “유사한 예 찾기”에 답하는 과정이다).

  3. 붉은·초록·파란 레이저를 같은 조각에 통과시켜, 파장에 따라 빛이 얼마나 다르게 약해지는지 재어 보자.

  4. 저녁 노을을 같은 분광기 앱으로 찍어, 흰자를 통과한 빛과 노을빛의 스펙트럼이 닮았는지 비교해 보자.

연결 주제

물리 1988 문제 7 ‘해넘이 태양’과는 같은 저녁 해를 서로 다른 각도에서 다룬다 — 그 편은 대기 굴절로 해가 납작해지는 ‘모양’을, 이 편은 대기 산란으로 빛이 붉어지는 ‘색’을 설명하므로, 노을 하나에 굴절과 산란이 함께 들어 있음이 보인다. 같은 해 물리 2004 문제 1 ‘안개 방울 측정기’도 탁한 매질의 산란을 다루지만, 그쪽 핵심은 초음파로 방울 크기를 정하는 것이고 이쪽 핵심은 산란의 파장 의존성으로 색이 갈리는 것이다. 굴절률 구배로 빛이 휘는 물리 2026 문제 11 ‘설탕 용액 단색화 장치’는 굴절·분산 계열이어서 산란인 이 편과 기제가 다르다.

참고문헌

[학생] 우유 탄 물로 하늘색·노을을 재현하는 고전 실험 해설(영상 검색어 “milk sunset scattering”), 스마트폰 분광기 앱 “phyphox”로 광원과 투과광의 스펙트럼을 찍어 견주는 방법 / [심화] S. D. Gedzelman, M. A. López-Álvarez, J. Hernández-Andrés, R. Greenler, “Quantifying the ‘milky sky’ experiment,” Applied Optics 47(34), H128–H132, 2008, doi:10.1364/ao.47.00h128 (묽은 탈지유 수조에서 투과광은 붉고 산란광은 푸름을 스펙트럼으로 재고, 미 이론으로 우유 입자 지름을 추정 — 하늘색·노을의 실험실 재현) · J. W. Pickering, “Optical property changes as a result of protein denature in albumen and yolk,” Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 16(2), 101–111, 1992, doi:10.1016/1011-1344(92)80002-D (달걀흰자를 가열하면 산란 계수가 커지고, 변성 초기에 작은 레일리 산란 입자가 생김을 350–850 nm에서 측정) · C. F. Bohren, “Multiple scattering of light and some of its observable consequences,” American Journal of Physics 55(6), 524–533, 1987, doi:10.1119/1.15109 (우유가 왜 희고 탁한 매질의 투과광이 왜 붉어지는지를 다중 산란으로 설명). ※ 우유 현탁액과 가열된 흰자의 산란은 정량화됐으나 “삶은 흰자 조각의 두께에 따른 투과광 색 변화”를 직접 잰 자료는 드물다. 삶은 흰자 산란체의 크기 분포가 레일리 영역인지 미 영역인지, 응고 정도에 따라 붉어짐과 다중 산란이 어떻게 달라지는지는 이 탐구의 개방 지점이다.

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