[기초광학실험] 일반적인 회절 구멍에 의한 회절 2부

실험 결과

 

1. 십자슬릿

1) 회절 구멍 형태 H(십자 슬릿)에 의한 회절 무늬를 관찰한다. 회절 무늬를 보면서 회절 판을 서서히 회전시키면서 모양을 관찰한다.

2) 십자 슬릿에 의한 회절 무늬를 각 개의 슬릿에 의해서 생기는 회절 무늬를 가지고 설명하십시오.

슬릿을 한 방향으로 회전시키면 회절 무늬 또한 같은 방향으로 회전하는 것이 관측되었다.

십자 슬릿의 회절무늬를 관측한 사진

 

2. 불규칙하게 배열된 원형 회절 구멍

불규칙하게 배열된 원형 구멍으로 되어 있는 회절 구멍 형태 I에 의한 회절 무늬를 관찰한다. 이 회절 무늬는 단일 원형 구멍에 의한 회절과 유사하다. 이를 검증하기 위하여 검은 마분지에 핀으로 조그만 구멍을 뚫는다. 이 구멍을 통해 광원의 필라멘트를 본다. 불규칙하게 배열된 원형 구멍에 의한 회절은 모든 원형 구멍에 의한 것들이 중첩되어 형성되므로 무늬가 더 밝다. 불규칙하게 배열된 원형 구멍에서는 핀으로 만들 수 있는 구멍보다 더 작은 원들이 사용됐다.

I 회절 판을 관측한 모습

 

1) 더 작은 직경의 원들이 회절 무늬에 주는 효과는 무엇입니까?

회절 무늬가 더 선명하게 보이게 해주고 회절 무늬의 폭이 더 넓게 보인다.

A4용지에 샤프로 구멍을 내어 광원 필라멘트를 본 사진

단일 슬릿의 회절을 보면 슬릿의 폭이 좁으면 좁을수록 회절 줄무늬의 간격은 넓어진다. 이것은 일반적으로 맞는 이야기이다. 일반적인 회절 구멍에서는 회절 효과가 회절 구멍의 가장 작은 폭을 갖는 곳과 나란한 방향으로 가장 두드러지게 나타난다.

 

2) 위의 일반적인 논리를 이용하여 원형 회절 구멍에 의해 형성되는 회절 무늬의 대칭성에 대하여 설명하십시오.

단일 슬릿은 좌, 우만 대칭하고 원형슬릿에서는 상, 하, 좌, 우 모두 대칭된다.

 

3. 원형 회절 구멍의 격자 배열

격자로 배열되어 있는 원형 구멍 형태인 J의 회절 무늬를 검사한다.

 

1) 이 무늬와 불규칙하게 배열된 형태의 회절 무늬는 어떠한 유사성이 있습니까?

두 개 다 같은 둥근 모양의 구멍슬릿을 가지고 있다. 격자에 있는 각 원형 회절 구멍은 최대 위치와 최소 위치가 다른 반경에 나타나는 원형 회절 무늬를 형성한다. 그러나 격자의 규칙성 때문에 각 원 무늬들 사이에 간섭이 일어난다. 이것은 이중 슬릿에서 각 개의 슬릿에 의해 형성되는 회절 무늬가 겹쳐져 최대 위치와 최소 위치가 나타나는 것과 유사하다.

 

2) 별도의 종이에 각자 다른 구멍에서 나온 회절 무늬 간에 간섭이 없다.'(불규칙하게 배열된 경우와 같다.)라고 가정하여 회절 무늬를 그리고 최대 위치와 최소 위치를 표시 하십시오.

J회절판을 관측한 사진

 

3) 무늬 간의 간섭이 일어나는 것을 이해하기 위하여, 격자들이 그림 1 a, b, c에 있는 것처럼 평행한 슬릿의 모임으로 봅니다. 각 평행한 슬릿의 모임에 의해 생기는 회절 무늬를 그리시고 최대 위치와 최소 위치를 표시하십시오.

J회절판을 관측한 사진

 

4) 원형 구멍들 사이에 일어나는 간섭 효과를 추정하려면 우리가 그린 단계 2의 그림에 단계 3의 그림을 겹쳐놓고 최대 위치가 겹친 그곳만 표시하십시오. 이러한 과정을 a, b, c 세 종류에 대하여 반복합니다.

그림 1 격자의 형태에 의한 간섭

토의 사항

 

1. 실험 고찰

빛의 파동성을 보여주는 대표적인 현상은 빛의 간섭과 회절 현상이다. 두 현상은 파동이 간섭하여 나타나는 동일한 물리적 현상이지만, 구분한다면 간섭은 위상차가 불연속적인 파동이 만날 때 생기는 것이고, 회절은 위상차가 연속적인 수많은 파동이 간섭한 결과로 나타난 현상이다. 본 실험은 빛의 회절에 대해 실험을 해보았다. 호이겐스-프레넬 원리에따르면, 어떤 파면의 각 지점은 파동의 전파 속력과 같은 속력으로 모든 방향으로 퍼져 나가는 작은 2차 파동의 파원으로 간주할 수 있다. 즉 그림(a)과 같은 좁은 슬릿 사이의 모든 부분은 2차 파동의 파원이 되고 모든 파동이 서로 간섭하여 회절 무늬를 만들게 된다.

 

프레넬 회절 이란 보다 일반적인 회절이다. 단일슬릿 회절이나 원형구멍 회절 드으이 상황은 창에 빛이 평면파로 비추어지고, 또한 회절무늬가 창으로부터 멀리 떨어진 지점에 생기는 것을 전제하고 있다. 이러한 조건의 회절은 프라운 호퍼 회절으로 ‘파동의 회절’에서 다룬 것처럼 비교적 회절 공식이 단순하다. 

특히 빛의 경우에는 보통의 실험조건에서 파장이나 창의 규모가 광원에서 창이나 창에서 스크린까지의 거리에 비해서 매우 작으므로 거의 프라운호퍼의 회절 상황으로 취급할 수 있다. 그러나 한쪽이 완전히 개방된 경우처럼 구멍의 크기가 매우 커지거나 창이 광원이나 스크린에 가까워지면 스크린에 이르는 각각의 경로에 대해 광경로를 일일이 반영해야 한다. 이처럼 보다 일반적인 회절을 프레넬 회절이라 한다. 따라서 이 경우는 프레넬-키르히호프 회절식의 원형을 적용해야 할 것이다. 그러나 경사인자, 즉 진행하는 빛이 꺾어지는 방향에 의존하는 항과 광경로차에 의해 달라지는 진폭 등의 영향을 무시한다면 다음과 같이 비교적 간단하게 표현된다.

프라운 호퍼 회절이란 창을 통과한 입사파와 투과파 모두를 평면파로 볼 수 있는 회절로 파원과 관측점이 파장에 비해서 먼 경우에 해당한다. 가깝더라도 창의 양쪽에 빛에 대해서 볼록 렌즈처럼 구면파를 평면파로 만들거나 평면파를 한 점으로 집속할 수 있는 장치가 설피된 경우도 마찬가지로 볼 수있다. 빛의 경우라면 파자잉 극히 짧을뿐더러 구면파와 평면파를 바꾸는 볼록렌즈로부터 이러한 상황을 쉽게 만들 수 있다. 이를 프라운 호퍼 회절식이라 한다.

여기서 r은 dA의 작은 면을 통하여 스크린까지 가는 거리로서 파동의 전파속도가 다른 영역을 통과한다면 기준지역에서의 파동의 진행거리로 환산한 경로이다. 빛의 경우 이를 광경로 라 한다. 만일 파원이나 관측점이 창에 가까이 있는 보다 일반적인 상황이 되면 회절양상은 좀더 복잡해진다. 이러한 조건에서의 회절을 프레넬 회절이라 한다. 프레넬 회절은 프라운호퍼 회절과 달리 회절 결과의 규칙성이 덜하고, 또한 수학적으로도 다루기가 어렵다.

(a) 구멍의 구경이 클 때는 회절이 적게 일어남
(b) 구멍의 구경이 작을때는 회절이 많이 일어남

  

참고 문헌

1. 기초 광학 실험

2. 물리의 이해 (원형구멍 회절, 프레넬 회절, 파동의 회절)

 

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