[자연과학] 광학실험 - 회절 격자에 의한 빛의 파장 측정

광학실험 - 회절 격자에 의한 빛의 파장 측정

1. 실험목적

빛이 입사될 때 격자 속에서는 파장에 따라 회절되는 각이 다르게 나타나는데 그 회절된 각을 측정하고, 그 각이 무엇을 의미하는지를 안다. 그런 후 기체들의 스펙트럼을 측정하여 가장 강한 빛의 스펙트럼의 파장을 구하여 본다.

2. 실험원리

회절격자를 이용하면 빛의 파장을 정확하게 측정할 수 있다. 먼저 이 실험에서 중요한 회절격자와 분해능에 대해 알아 보자.
`회절격자`
회절격자는 평면유리나 오목한 금속판에 다수의 평행선을 등 간격으로 새긴 것으로 이것에다 빛을 비추면 투과 또는 반사된 빛이 파장 별로 나뉘어서 그 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 회절격자(평면유리로 만들어진)에 평행으로 입사한 빛들은 금이 그어진 곳에서는 흡수가 되거나 산란하여 버리고 금이 그어지지 않은 좁은 틈으로 들어오는 빛은 통과한다. 그러나 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 호이겐스 원리에 의하여 회절 되어 원기둥 형태로 퍼져 나간다. 이때 이웃하는 틈으로 통과한 빛과의 광로 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면 서로 보강간섭이 일어나서 빛이 강…(생략)

3. 실험기구

4. 실험결과

5.9m

① 빛이란 색에 따라서 파장과, 그 굴절률도 다르다. 따라서 햇빛 같은 빛을 프리즘에 통과시키면 단색광이 분산되어 스펙트럼을 관찰 할 수 있고, 네온, 헬륨, 수소같이 색깔을 띄는 등은 회절격자를 이용해서 스펙트럼을 관찰 할 수 있었다. 실제로 네온등은 붉그스름한 색으로 보였는데, 이것은 네온 속의 특정 기체가 방출하는 빛에 붉은 색의 특정한 파장의 성분만이 포함되었기 때문이라고 볼 수 있다. 이 네온등을 회절 격자를 통해서 파장별로 분해해 보면, 수 많은 선스펙트럼이 포함되어 있음을 알 수 있다. 네온, 수은, 물, 이산화탄소등의 원소에 따라서 방전관의 색깔이 달랐고, 이것은 그 물질의 구성성분이 다르다는 것은 반영한 결과이다.

② 분해능은 계측기로 읽을 수 있는 측정의 최소 단위 이다. 이번 실험에서는 500/10㎜, 1000/10㎜ 두가지를 사용했는데, 500/10mm의 격자가 더 성능이 좋다고 볼 수 있다. 왜냐하면 최소 500/10mm단위 까지 읽을 수 있기 때문이다. 실제로 500/10mm의 격자로 측정하다가, 1000/10mm로 측정하게 되면 흐릿하게 스펙트럼이 구분이 잘 되지 않았다.

③ 이므로, 사용하는 빛의 파장이 짧을수록 더 가까이 있는 물체를 구별할 수 있게 되어 분해능이 좋아진다. 즉 사용하는 빛의 파장이 짧을수록 더 가까이 접근되어 있는 슬릿들도 분리해서 구별할 수 있게 된다.