[기초광학실험]프리즘과 회절격자 1부

실험 목적

분광계를 이용, 회절격자의 파장, 프리즘의 굴절률 알아보기

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요

불투명한 물체를 통하여서는 빛의 투과가 일어나지 않는다. 그러나 빛이 투명한 물체를 비추면 반사와 투과가 같이 일어난다. 투과되는 빛은 한 매질과 또 다른 매질 사이의 면을 지나면서 휘어지는, 즉 굴절되는 현상을 보인다. 예를 들어 공기 중에서 물로 들어가는 광선은 법선 쪽으로 휘어지는 현상을 보이며 휘어지는 정도는 입사각에 따라 달라진다. 

휘어지는 정도는 경계면 양쪽의 물질들의 특성에 따라서도 달라지는데 정확한 굴절의 법칙은 1621년 네덜란드의 수학자인 스넬에 의하여 처음으로 실험적으로 발견되었다. 스넬의 법칙은 여러 가지 물질에 대하여 검증될 수 있고, 그 물질들의 굴절률을 결정하는데 이용된다. 이는 빛의 본성에 대한 아무런 지식이 없더라도, 단지 두 매질 사이의 경계와 마주치지 않는 한 빛이 직진한다는 사실만을 전제하더라도 가능하다. 

광학에서 프리즘의 역할은 매우 다양하다. 광속분리기 편광기 그리고 간섭계 등의 역할을 위해 프리즘 조합이 사용된다. 가장 넓게 응용되는 기능은 두 가지이다. 

첫째로 프리즘은 여러 가지 스펙트럼 분석기에서 분산 도구로 사용된다. 말하자면 프리즘은 복합파장의 연속적인 주파수 성분으로 어느 정도 범위까지 연속적인 주파수 성분으로 분리시킬 수 있다.

둘째로 프리즘의 더 일반적인 기능은 상의 방향 또는 광속의 전파 방향을 바꾸는 것이다. 프리즘은 많은 광학 기기에서 광학계의 배치를 제한된 공간 범위 이내로 축소시키는데 사용된다. 반전 프리즘, 역전 프리즘 그리고 반전과 역전 프리즘, 그리고 분산 없이 광속을 편향시키는 프리즘 등이 있다.

A =  θ1´ + θ2        B = 90 -  θ1´          C = 90 - θ2

θ1 = δ1 + θ1´                  θ2´ = δ2 + θ2

δ = θ1 + θ2´ - (θ1´ + θ2) = θ1 + θ2´ + A

δmin = θ1 = θ2´                  δ = 2δmin + A

실험 방법

1. 프리즘의 굴절률 측정

1) 다음과 같이 실험 장치를 정렬한다.

2) 평행한 입사광선 방향으로 꼭지점이 향하도록 놓은 후에 프리즘의 양면에서 반사되는 각도를 읽는다.

 

3) 2)에서 나온 두 값의 합을 2로 나누어 꼭지각을 구한다.

4) 프리즘의 꼭지각이 컬리메이터에 대해 옆으로 가도록 놓고 망원경을 회전시켜서 굴절광에 의한 S의 상을 찾는다.

5) 원반을 좌우로 회전시키면서 망원경으로 상을 추적하였다.

6) 상의 움직임이 반대로 향하거나 없어지는 지점에서 원반을 고정하고 눈금을 읽었다.

7) 최소 편향각을 계산한다

8) 프리즘의 각 파장에 대한 굴절률을 계산하였다.

 

2. 회절격자에 의한 파장 측정

1) dsinθ = mλ에서 d는 현미경을 써서 측정이 가능하므로 λ를 구할 수 있다.

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