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[자연과학] 광학실험 - 회절 격자에 의한 빛의 파장 측정(測定)

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작성일17-11-29 19:53

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[자연과학] 광학실험 - 회절 격자에 의한 빛의 파장 측정(測定)
실험결과/기타

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광학실험 - 회절 격자에 의한 빛의 파장 측정(measurement)

1. 실험목적
빛이 입사될 때 격자 속에서는 파장에 따라 회절되는 각이 다르게 나타나는데 그 회절된 각을 측정(measurement)하고, 그 각이 무엇을 의미하는지를 안다. 이것은 렌즈의 수차가 없다고 할 때, 회절격자분광기에서는 회절차수를 m, 개구에 포함된 격자선의 수를 N으로 하여 mN으로 주어진다. 이때 이웃하는 틈으로 통과한 빛과의 광로 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면 서로 보강간섭이 일어나서 빛이 강해지나, 광로차이가 파장의 정수배가 아닐 때에는 소멸하여 버린다.

그림 1. 회절격자에서 θ로 산란된 빛
`분해능`
분해능을 사전에서 찾아보면, 『광학계의 결상성능을 나타내는 용어』라고 되어 있다. 이 회절격자(평면유리로 만들어진)에 평행으로 입사한 빛들은 금이 그어진 곳에서는 흡수가 되거나 산란하여 버리고 금이 그어지지 않은 좁은 틈으로 들어오는 빛은 통과한다.

3. 실험기구
Spectrometer, 회절격자
Helium, Neon, Mercury, CO2, Hydrogen, Water VPR 방전관

4. 실험결과
이라는 식에서 파장을 구할 수 있다.
분해능을 대상이 되는 광학계에 따라 여러 종류로 나누어 볼 수 있지만 우리가 실험한 분광기의 분해능을 초점으로 하여 살펴보자. 여기서 분해능이란, 접근해 있는 2개의 스펙트럼선을 분해하여 관찰할 수 있는 능력을 말하며, 파장 λ 가까이 에서 δλ의 파장차를 분리할 수 있을 때의 분리능은 λ/δλ로 정의(定義)되며, 분산계의 성능과 렌즈 결…(생략(省略)) 상성능에 의해 정해진다.

2. 실험원리
회절격자를 이용하면 빛의 파장을 정확하게 측정(measurement)할 수 있다. 실제로 네온등은 붉그스름한 색으로 보였는데, 이것은 네온 속의 특정
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다. 그러나 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 호이겐스 원리에 의하여 회절 되어 원기둥 형태로 퍼져 나간다. 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. 따라서 보강간섭이 일어나는 조건이 성립하는 어떤 특정한 방향으로만 빛이 밝게 비추어지고, 그 조건은 그 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에, 여러 파장의 빛이 섞여 있을 때에는 프리즘에서처럼 파장 별로 분리가 되는 것이다. 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. 그런 후 기체들의 스펙트럼을 측정(measurement)하여 가장 강한 빛의 스펙트럼의 파장을 구하여 본다.
⇒ 500/10mm 사용
ㆍ헬륨
n=1
n=2
각도차이
파장
노랑
0.69°

1.31°
4.6m
초록
1.28°
3.16°
1.85°
3.2m
파랑
2.28°
3.67°
1.39°
2.4m

ㆍWater
n=1
n=2
각도차이
파장
빨강
1.7°
불측정(measurement)
1.7°
5.9m
파랑
2.4°
불측정(measurement)
2.4°
8.3m

ㆍ네온
n=1
n=2
각도차이
파장
노랑
0.51°
1.28°
0.77°
2.7m
빨강
0.71°
1.7°
0.99°
3.5m

ㆍMercurry
n=1
n=2
각도차이
파장
초록
0.67°
1.57°
0.88°
3.1m
노랑
0.6°
1.55°
0.95°
3.3m

n=1
n=2
각도차이
파장
노랑
3.5°
불측정(measurement)
3.5°
12.2m
초록
3.3°
불측정(measurement)
3.3°
11.5m
ㆍHydrogen
n=1
n=2
각도차이
파장
빨강
0.75°
1.68°
0.93°
3.2m
초록
0.65°
1.26°
0.61°
2.1m
⇒ 1000/10mm 사용 → 색을 구별할 수 없는 스펙트럼이 하나 관찰

5. 토 의
① 빛이란 색에 따라서 파장과, 그 굴절률도 다르다.

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