[일반물리학실험] 파동-입자의 이중성 실험

 

실험 목적

다결정 흑연에서 파동으로서의 전자가 결정에서 회절 되는 원리를 이해하고 전자의 Debye-Scherrer 회절현상을 Cross-grating을 이용하여 광학적인 방법으로 유추해본다.

 

실험 이론 및 원리

1. Debye-Scherrer 회절

x-선 회절방법중 하나로 필름을 원통의 면에 놓고 시료는 원통의 중심축위에 놓는 방법으로 회절빔이 원추면 위에 있으며 그 축은 입사빔 또는 그 연장에 따라서 있다. 반사 x-선의 각 원추는 각각의 특정한 격자면에 의하여 회절되어 만들어지는 방법이다. 즉 필름을 사용하여 기록된 회절무늬가 반사 x-선의 원추와 만나서 원형의 회절환을 만드는 방법이다.

 

2. 빛의 입자성과 파동성

파동-입자의 이중성은 빛에 의해서 거론되었는데 처음에 호이겐스와 영과 같은 과학자들에 의한 회절, 간섭등의 실험으로 빛은 파동이라 결정되었었다. 다시 아인슈타인의 광전효과로 빛의 입자성이 증명되어 빛은 입자성과 파동성의 이중성을 지닌다고 결론지어졌다. 또한 드브로이에 의해서도 회절무늬에 의한 이중성이 결론지어졌다고 한다.

 

3. 입자가 나타내는 파동의 파장

전자들이 흑연으로 만들어진 얇은 다 결정 층을 통과하게 하여 형광 막에 도착하도록 하면 일부 전자들은 회절을 일으키기 때문에 형광 막 위에 밝은 회절 환들을 만든다.

 

물질을 회절격자로 사용할 경우 Braggwhrjs에 의하면 2dsinα. = nλ(n=1,2,3․․․)일 때 보강 간섭이 일어나 회절 무늬가 관측된다는 사실을 확인 할 수 있었다.

 

이 실험에서는 가시 광 역역의 백색광을 cross-grating으로 통과 시켜 회절무늬를 얻을 수 있다. Cross-grating을 통과한 빛은 스크린에 특정한 점들을 형성하고 이 때, cross-grating을 회전시키게 되면 전자회절 실험에서와 같이 같은 회절무늬를 얻게 되고 컬러 필터를 사용함으로써 일정한 파장의 빛을 공급하고 파장에 따른 환의 변화를 확인 할 수 있으며, 다음의 식을 이용하여 격자사이의 간격 g 값을 계산할 수 가 있다.

λ : wave length

g : slit or lattice spacing

d : distance between the screen and the cross grating

Xk : distance of the k-th spot from the center beam in x^- or y^- direction

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 빛이 평행하게 스크린에 도달할 수 있도록 할로겐 램프를 조정한다.

2) 이미지 슬라이더 안에 1㎜의 막을 끼워 넣는다.

3) 선명한 상이 스크린에 맺힐 수 있게 렌즈를 조절한다.

4) 렌즈의 초점 거리 뒤에 cross-grating을 위치시킨다.

5) 스크린에 회절패턴이 반씩 되도록 컬러필터를 조절한다.

6) cross-grating를 회전시키면서 회절무늬를 관측한다.

7) 관측된 결과로부터 격자간격 g를 구한다.

 

실험 결과

1. 예측 결과

2. 실험 data

	RED	GREEN
λ	630 nm	550 nm
k	1	2
d	7㎝	7㎝
Xk	1.1㎝	2.8㎝
g	4 ×10-6 m	2.75 × 10-6 m

λ : wave length

g : slit or lattice spacing

d : distance between the screen and the cross grating

Xk : distance of the k-th spot from the center beam in x^- or y^- direction

 

토의 사항

1. 실험 고찰

Cross-grating을 이용하여 회절무늬를 얻는 실험으로서 전자회절과 같은 무늬를 얻을 수 있다. 실험의 관건은 평행하게 슬릿과 렌즈를 통과한 빛이 스크린에 가능한 선명하게 맺게 하여야 한다. 처음 렌즈와 슬릿을 조절하면서 스크린에 상을 맻혀 측정해 보았으나 스크린에 맺힌 상은 짙게 나왔으나 무늬의 두께가 많이 두꺼워 그 거리를 측정하기가 매우 까다로웠다. 슬릿과 렌즈만으로는 스크린에 다 들어오고 선명한 빛을 얻기가 너무 어려웠다. 그러다가 제일 선명한 상태의 비율을 그대로 1/2로 줄이면 선명한 빛을 얻을 수 있을거라 생각했다. 

제일 선명한 상태에서 스크린과 램프의 거리를 반으로 줄여 램프를 설치하고 나머지 슬릿과 렌즈도 거리를 반으로 줄여서 설치하여 측정했는데, 작고 선명한 상을 맺게 할 수 있었다. 위에서 d의 거리가 7㎝로 작은 이유가 바로 거리를 반으로 줄였기 때문이다. 이렇게 구한 g의 값은 실험책에 나와 있는 예상값과 다르게 붉은색 필터의 격자거리가 더 크게 나왔다. 그러나 단위는 ㎛로 그리 많은 차이는 없을 것으로 생각된다.