[결과보고서] 4.영의 이중슬릿

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[결과보고서] 4.영의 이중슬릿에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 이론 요약

2. 실험 결과 및 데이터 분석

3. 실험 결과를 바탕으로 한 결과 토의

4. 토의사항
(1) 간섭 실험의 경우 일반적으로 광원-단일슬릿-이중슬릿의 순서로 배열한다. 그러나 위 실험에서는 단일 슬릿을 제외하고 바로 이중슬릿에 레이저를 비춘 이유에 대해 생각해 보시오.
(2) 스크린과 슬릿 사이의 거리를 최대한 멀리하는 이유는 무엇인가?
(3) 빛의 입자성과 파동성에 관련된 실험들에 대해 알아보시오.
(4) 위 실험에서 각 슬릿에 편광기를 설치하고 서로 수직하게 하였다. 스크린에 생기는 회절무늬는 어떻게 보이는가?
(5) 실험에서 슬릿의 간격을 일정하게 유지시키면서, 슬릿의 수를 늘려나가면 어떻게 될까?

5. 결론

6. 참고문헌

본문내용

근사한 후에 계산한다. 먼저 점 P에서의 진폭 를 근사해보자. 슬릿상의 각 점파원에 의한 점 P에서의 진폭은 로 각각 다르지만 b< , 이다.
여기서 빛의 세기(I)는 전기장 제곱의 평균값이므로,
이다. 또한 일 때 극한의 성질에 의하여 이 되고, 따라서 으로 두면 최종적인 빛의 세기 I는, 으로 나타낼 수 있다.
즉, 우리는 스크린과 슬릿 사이의 거리를 최대한 멀리 함으로써 프라운호퍼 회절식을 이용하여 회절 무늬의 세기식을 계산하였다는 것을 알 수 있다.
(3) 빛의 입자성과 파동성에 관련된 실험들에 대해 알아보시오.
◎ 토마스 영의 이중 슬릿 실험
- 지금까지 계속 실험한 내용대로, 이 실험을 통해 빛의 간섭과 회절 현상을 설명하였으며, 또한 프라운호퍼 근사식을 통해 빛의 파장을 최초로 구했다.
◎ 맥스웰의 전자기파설
- 맥스웰은 1864년 <전자기장의 동역학적 이론>으로 유명한 맥스웰의 기본방정식을 이끌어냈고 1873년 이 연구를 집대성한 <전기자기론>을 저술하여 ‘전자기파’가 존재하며 그 전파 속도는 빛의 속도와 같다는 것을 보였다. 즉 맥스웰 방정식은 전기와 자기를 측정 가능한 단일한 힘으로 합친 것으로, 빛과 전자기파는 본질적으로 같은 것이라고 주장하였다.
◎ 아인슈타인의 광전효과
- 아인슈타인은 광전효과(금속 표면에 자외선이나 가시광선을 쬐면 거기서 전자가 튀어나오는 현상) 실험은 빛이 파동이라는 것만으로는 설명할 수 없으며, 플랑크의 가설을 받아들여 ‘빛의 입자’ 때문이라고 믿었다. 즉, 아인슈타인은 빛이 입자이면서 동시에 파동이라는 ‘광양자설’을 발표했다.
◎ 콤프턴 X선 산란 실험
- 콤프턴은 ‘X선을 금속에 쬐면, X선의 일부는 금속을 투과하지만, 나머지 일부는 전자에 작용하여 전자를 튀어나오게 하고 X선 자신은 더 긴 파장의 X선으로 되어 산란된다’는 것을 실험을 통해 알아냈으며, 빛의 양자론을 근거로 하여 그 사실을 설명하고 ‘광자(Photon)'라는 용어를 제안했다.
(4) 위 실험에서 각 슬릿에 편광기를 설치하고 서로 수직하게 하였다. 스크린에 생기는 회절무늬는 어떻게 보이는가?
◎ 빛은 횡파이다. 만일 z-축으로 빛이 진행한다고 가정했을 때, 편광방향은 x방향과 y방향 두 가지로 나뉘게 되는데, 편광기를 설치하여 이 둘을 서로 수직되게 하였다는 것은 하나는 x방향으로, 하나는 y방향으로만 편광되게 했다는 것이다. 간섭무늬란 본래 빛의 전기장의 중첩에 의해서 생기는 것이다. 따라서 간섭무늬가 잘 나오기 위해서는 중첩이 잘 되도록 전기장 벡터의 방향이 나란해야 하는데, 편광이 일어난 경우 두 전기장 벡터의 방향이 수직하여 중첩이 이루어지지 않는다. 따라서 결과적으로 간섭에 의한 무늬는 생기지 않고(두 빛의 간섭은 일어나지 않고), 각각의 슬릿에서 생기는 회절에 의한 무늬만이 따로따로 스크린에 나타나게 된다. 또한, 두 광원 모두 한 방향으로의 편광이 이루어졌기 때문에(다른 방향으로의 진동은 제어되었기 때문에) 각각의 세기는 현저히 줄어들게 될 것이다.
(5) 실험에서 슬릿의 간격을 일정하게 유지시키면서, 슬릿의 수를 늘려나가면 어떻게 될까?
슬릿의 간격이 일정하고 슬릿의 수가 계속해서 늘어가는 것을 다중슬릿이라고 한다. 그렇다면 다중슬릿의 경우에는 어떠한 변화가 생기는지 알아보자.
◎ 위의 그림처럼, 폭이 b이고, 중심 사이의 간격이 a인, N개의 길고, 평행하며 좁은 슬릿을 생각해보자. 다시, 첫 번째 슬릿의 중심에 좌표계의 원점을 두면, 스크린상의 한 점 P에서 총 광학적 전기장에 대한 표현은
로 주어지며, 전과 같이 이다. 이 식을 대입하여 계산하면 이고, 앞의 상수를 모두 합하여 로 두면 위의 식은 와 같이 간단하게 된다.
복사강도는 위 식의 제곱에 비례하므로 과 같다.
즉, 각각의 단일 슬릿으로부터 정면으로 진행하는 파는 위상이 모두 같기 때문에 보강간섭의 결과로 더해져서 강도가 배가 된다.
다음으로, 복사강도가 최대값을 갖는 경우는 인 경우이다. 즉, 인 경우이다. 반면 복사강도가 0에 해당하는 최소값은 인 경우이다. 즉, 이므로 인접한 두 개의 주요 최대값 사이에 N-1개의 최소값이 존재할 것이다. 그리고 물론 한 쌍의 최소값 사이에 보조 극대값이 존재해야만 할 것이다.
따라서 다중 슬릿에 의한 간섭무늬의 세기분포는 그래프와 단일슬릿 그래프를 합성시킨 모양이 되며, N이 커질수록 간섭무늬의 폭은 얇아지고 각 간섭 점에서만 세기가 나타나는 것처럼 보인다.
5. 결론
이번에 우리가 한 실험은 영의 이중슬릿 실험으로서, 빛의 특성 중에 빛의 파동성을 확인해볼 수 있었던 실험이었다. 영의 이중슬릿 실험을 통해서 빛의 회절 및 간섭 무늬를 확인해볼 수 있었으며, 회절무늬가 간섭무늬보다 옆으로 퍼질수록 그 세기가 훨씬 더 큰 폭으로 줄어든다는 것도 확인할 수 있었다. 그리고 이를 스크린과 슬릿 사이의 거리가 매우 먼 경우로 생각하고 프라운호퍼 근사식을 통해 직접 빛의 파장을 구해보았다.
6. 참고문헌
- 네이버 백과사전 : 영의 간섭 실험
(http://100.naver.com/100.nhn?docid=829120)
- 두 파의 간섭
(http://physica.gsnu.ac.kr/physedu/wavelight/twowave/twowave.html)
- 이중슬릿 간섭
(http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/optics/interference/young/young.html)
- 레이저의 특징
(http://blog.naver.com/tae4ja99?Redirect=Log&logNo=3536152)
- 위키백과 : 단일슬릿에 의한 빛의 회절
(http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%9A%8C%EC%A0%88)
- 네이버 지식사전 : 빛의 이중성(입자성/파동성)
(http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=68924)

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영,   이중슬릿,   슬릿,   단일슬릿,   회절,   편광,   간섭