[일반물리학실험]회절격자 분광기를 이용한 빛의 파장 측정 1부

실험 목적

회절격자 분광계를 이용하여 광원에서 나오는 빛의 휘선스펙트럼을 관측하고 각 휘선의 파장을 측정한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

회절격자는 등간격으로 이루어진 많은 수의 슬릿이다. 회절격자에 입사한 빛은 파장별로 회절되는 각도가 다르므로 회절격자를 이용하여 빛의 스펙트럼을 관측하고 파장을 측정할 수 있다. 회절격자에는 빛의 격자를 투과하면서 회절되는 투과형, 반사되면서 회절되는 반사형의 두 종류가 있다. 투과형 격자는 유리와 같이 투명하고 잘 연마된 판에 수많은 선을 그어 만든 것으로 선이 없는 부분이 슬릿으로 작용한다. 반사형 격자는 잘 연마된 금속 표면에 선을 그은 것으로 역시 선이 없는 부분에서 반사된 빛이 회절 및 간섭을 일으킨다. 선의 수는 1㎜에 100～3000개이며 단위 길이당 선의 수가 많을수록 회절되는 각도가 크다. 이 실험에서는 투과형 회절격자를 사용하므로 그에 대해 기술한다.

[그림 1] 회절격자

[그림 1]과 같이 회절격자에 수직이로 단색의 평행광선이 입사되면 호이겐스의 원리에 의해 각각의 열린 부분이 새로운 2차 광원이 되어 모든 방향으로 빛이 진행하게 된다. 그런데 각 광원에서 나온 빛은 서로 간섭하므로 보강간섭이 일어나는 특정한 방향에서만 밝은 빛을 관측 할 수 있다.

[그림 1]에서 2차 잔파동들의 포락선으로 이 특정한 방향을 결정할 수 있다. 같은 위상에 있는 점을 연결한 접선([그림 1]의 선 a)이 새로운 파면이 되는데 이 파면은 슬릿으로부터 모두 같은 거리에 있고 원래의 입사 파면과 나란하다. 이를 0차 회절된 빛이라 하며 회절격자 뒤에 볼록렌즈를 두면 중앙에 밝은 점을 형성한다. 이웃 슬릿에서 나온 잔파동과 광로차가 한 파장 차이가 있는 것끼리 연결한 접선([그림 1]의 선b)도 새로운 파면이 되는데 1의 방향으로 진행하며 1차 회절된 빛이라 한다.

[그림 1]에서 2의 방향으로 진행하는 파는 이웃 슬릿에서 나온 잔파동과 광로차가 두 파장 차이가 있는 것이며 2차 회절된 빛이라 한다. 빛의 파장과 회절각도의 관계를 나타내는 격자방정식은 다음과 같다.

mλ = dsinθ              (1)

여기서 m은 차수, λ는 빛의 파장, d는 회절격자 선간의 거리, θ는 입사광선과 이루는 편향각이다. 차수, 파장, 그리고 단위길이당 선의 수가 클수록 편향각이 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 격자선의 간격을 알면 편향각을 측정하여 빛의 파장을 알아낼 수 있다.

 

2. 실험 요약

가시광선은 300-700㎚의 파장을 갖고 있는데, 그 파장에 따라 우리는 색깔이 다른 것으로 받아들인다. 태양광이나 백열전구의 등은 여러 종류의 파장의 빛이 연속적으로 섞여 백색광인 경우가 있는 반면 레이저나 네온등처럼 몇 개의 불연속적인 파장이 섞여 단일 파장(단일색)의 경우도 있는데, 굴절률은 빛의 파장에 따라 다르다. 굴절된 빛은 색깔 별로 분리되지만 빛의 파장을 분석하기 쉽지 않기 때문에 간단하게 빛의 파장을 구하기 위해서 회절격자를 이용하는데 이는 빛의 간섭현상을 이용한 것임을 알 수 있다.

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

회절격자 분광기, 광원(3파장 램프)

[그림 2] 실험장치

실험 방법

1. 실험 과정

1) 단일슬릿을 통과한 빛의 회절격자(Grating)에 평행하게 입사되도록 광원을 분광기로부터 충분히 멀리 설치한다.

2) 광원을 켜고 분광기의 관측구를 통하여 광원을 보면서 광원과 단일슬릿의 중앙부분, 그리고 관측구가 일직선 위에 오도록 위치를 조절한다.

3) 광원과 분광기를 고정시킨 상태에서 분광기의 우측슬릿을 중앙에서 가장자리로 움직이면서 빛을 관측한다. 빛이 나타나면 가장 밝은 점에서 색깔과 치수(m) 및 각도(θ)를 기록하고 다시 슬릿을 가장자리로 끝까지 움직이면서 같은 과정을 반복한다.

4) 좌측슬릿을 중앙에서 가장자리로 움직이며 3)의 과정을 반복한다.

5) 위 3), 4)의 과정을 여러 번 반복하여 각도의 평균을 구하고 식 (1)을 이용하여 파장을 계산한다.

[그림 3] 실험장치의 구성 사진

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