어릴 때 한 번쯤 비눗방울을 불어본 경험이 있으실 겁니다. 하늘로 떠오르는 비눗방울을 보면, 투명할 것 같지만 실제로는 무지갯빛 색깔을 띠고 있습니다. 그렇다면, 왜 비눗방울은 다양한 색으로 반짝이며 보이는 걸까요? 비눗방울이 무지개색으로 보이는 과학적인 이유를 알아보도록 하겠습니다.
비눗방울의 원리
비눗방울은 단순히 물방울이 아니라 비눗물로 만든 얇은 막(Soap Film)입니다. 이 얇은 막은 안쪽과 바깥쪽에 물이 있고, 그 사이에 비누 분자가 끼어 있는 구조로 되어 있는 비누 분자가 포함되어 있는데 이 비누 분자가 물의 표면 장력을 낮춰 물방울이 쉽게 터지지 않도록 보호해 줍니다. 표면장력이란 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘의 성질을 말하는 것으로 비눗방울도 마찬가지로 최소한의 에너지로 가장 안정적인 형태를 만드려고 합니다. 그래서 비눗방울은 같은 부피를 가질 때 가장 표면적이 작은 모양인 구 모양으로 존재하게 됩니다. 비눗방울이 떠다는 것을 보면 무지개색으로 보이게 되는데 이것은 얇은 막(비누분자)이 빛과 만나서 색이 나타나는 현상으로 바로 빛의 간섭 현상 때문입니다.
비눗방울이 무지개색으로 보이는 이유
비눗방울이 무지개처럼 보이는 이유는 바로 빛의 간섭 현상 때문입니다. 빛의 간섭 현상이란 서로 다른 파장이 서로 만났을 때 중첩의 원리에 따라서 서로 더해지면서 나타나는 현상으로 빛이 두 개의 얇은 막을 통과하여 서로 간섭하여 특정 색이 보이는 현상입니다. 이러한 현상은 비눗방울, 기름막, 안경 렌즈, 거미줄 등 흔히 주변에서 만나볼 수 있습니다.
비눗방울의 막 두께는 완전히 균일하지 않고, 시간이 지나면서 점점 얇아지거나 두꺼운 부분이 생깁니다. 위쪽은 얇아지고 아래쪽은 두꺼워집니다. 그래서 시간이 지나면 어떤 부분은 특정 색이 강해지고, 어떤 부분은 어떤 색이 지워지는 효과(상쇄 간섭)로 인해 보이는 색이 계속 변하게 됩니다. 그리고 막이 너무 얇아지면 강화 간섭이 일어나지 않고 비눗방울이 투명해지면서 터지게 됩니다.
이러한 원리도 비눗방울의 색은 반사되는 빛의 경로나 각도에 따라서 다른 색이 보이면서 무지개처럼 빛나는 것으로 보입니다.
비눗방울과 빛의 간섭을 간단한 실험을 통해서도 확인할 수 있습니다. 비눗방울을 불고 손전등을 비춰보면 각도에 따라 색이 바뀌는 것을 확인할 수 있습니다. 그리고 바람이 불 때와 아닐 때 비눗방울이 어떻게 변하는지 비교해 보는 실험도 재미있을 것입니다. 비눗물에 글리세린을 넣어 섞어서 불면 비눗방울을 더 오래 유지하면서 색 변화를 더 오래 관찰할 수 있습니다.
비눗방울, 알고 보면 더 신기한 과학
비눗방울은 단순한 놀이 도구가 아니라 빛, 물리학, 화학이 결합된 작은 과학 실험입니다. 비눗방울이 둥근 이유는 표면장력이 최소한의 에너지를 사용하려고 하기 때문이고 무지갯빛으로 보이는 이유는 빛의 간섭 현상 때문입니다. 시간이 지나면서 색이 변하는 이유는 막의 두께가 달라지기 때문이고 결국 비눗방울이 터지는 이유는 물의 증발과 외부의 충격 때문입니다. 이렇게 작은 비눗방울에도 여러 가지 신기하고 다양한 과학이 숨어 있는데 우리 실생활에 숨어 있는 과학을 찾아보는 것도 재미있는 경험이 될 것 같습니다.
재미있는 실험- 안터지는 비눗방울 만들기
아이들인 밖에서 가장 재미있게 가지고 노는 게 바로 비눗방울 불기입니다. 하지만 금세 터지는 비눗방울 때문에 가끔씩 울상을 짓기도 합니다. 그렇다면 잘 안 터지는 비눗방울은 어떻게 만드는 것일까요? 만들기는 매우 쉽습니다. 먼저 잘 안 터지는 비눗방울을 만들기 위한 재료는 물, 설탕 또는 올리고당, 글리세린, 주방세제만 있으면 됩니다. 설탕이나 글리세린은 비눗방울의 수분이 증발되는 것을 막아줌으로써 비눗방울을 더 두껍게 만들어줘서 잘 안 터지게 하는 역할을 해줍니다. 종이컵 기준으로 물 6컵, 주방세제 2컵, 올리고당 1컵, 글리세린 1컵을 기준으로 먼저 물과 주방세제를 넣고 거품이 나지 않게 살살 저어 녹여줍니다. 그런 다음 올리고당 1컵 넣고 녹인 다음 글리세린 1컵을 넣고 살살 저어 녹입니다. 그런 다음 1~2시간 정도 실내에 놔둔 후 비눗방울을 불면 잘 터지지 않는 비눗방울을 만들 수 있습니다.