[일반물리학실험 예비보고서] 이중슬릿에 의한 빛의 간섭과 회절

목차

1. 실험 목적

2. 실험 원리

3. 실험 기구 및 재료

4. 실험 방법

*참고 문헌 및 출처

본문내용

미
이 실험이 최초로 행해진 것은 19세기 초 토머스 영이 광자를 대상으로 한 이중 슬릿 실험이었다. 17세기의 뉴턴은 빛이 입자임을 주장하였고 이것은 오랫동안 정설로 여겨졌으나, 이 실험을 통해 간섭이 확인됨으로써 반증되었다. 이 실험 결과는 당시 뉴턴 역학에 큰 영향을 주었으며, 에테르 이론에 바탕을 둔 빛의 파동이론을 촉발하는 계기가 되었다.
아인슈타인의 상대성이론이 발표되고 난 후 1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머가 전자를 대상으로 이중 슬릿 실험을 하여 입자성과 파동성이 동시에 나타날 수 있다는 것을 증명하였다. 이 실험 결과는 당시 입자와 파동을 서로 반대의 성질로 규정하며 양립할 수 없는 것으로 여겼던 물리학적 상식을 흔들어 놓았다. 이것을 설명할 수 있는 새로운 관념과 물리학적 해석이 불가피하였고 그것이 양자론의 탄생으로 결실을 맺는다. 이 역사적 사실들을 통해 이중 슬릿 실험이 갖는 중요한 과학적 의미를 확인할 수 있다.
영의 이중 슬릿 실험
1801년 토머스 영은 광자의 이중 슬릿 실험을 통해 간섭현상을 증명해냈다. 이 실험의 방법은 그림 왼쪽과 같이 단색광을 단일 슬릿S에 입사시켜 이중 슬릿 S1와 S2를 통과하여 스크린에 나타나는 현상을 관찰하는 것이다. 이때 빛이 입자라면 그림(가)와 같은 무늬가 나타나야 한다. 그러나 실험 결과 파동처럼 간섭무늬가 나타났으며, 이것은 빛이 파동성을 가진 것을 의미한다.
또한 빛의 간섭성을 확인함으로써 빛의 파장을 최초로 구할 수가 있었다. 상단 오른쪽 그림처럼 스크린 위의 임의의 P점을 잡는다. 이때 S1, S2에서 P에 이르는 경로차가 ??? 곧 위상차가 ???이므로 파장의 정수배로 경로차를 유지한다면 P점에서 보강간섭을 일으킬 것이다. 그림과 같이 두 슬릿의 중간점으로부터 P까지의 연장선과 중심축사이의 각도를 θ하고, 중심축에서 P점까지의 거리를 Y로 두면 P점에서 보강간섭을 일으킬 때 경로차인 dsinθ = mλ(m=1,2,3....)이 성립한다. 따라서 이 수식을 이용하여 빛의 파장을 구해낸다.
전자의 이중 슬릿 실험
1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머는 니켈 결정을 향해 전자빔을 발사하는 실험을 하였다. 실험 방법은 영의 이중 슬릿 실험과 동일하다. 다만 단색광 대신에 전자빔을 쪼이는 차이가 있다. 당시에 전자는 입자로 인식하였기 때문에 그림(가)와 같은 무늬가 나타날 것이라 예상하였다. 하지만 실험 결과 그림(다)와 같이 파동의 간섭무늬가 만들어졌다. 이 실험 결과는 뉴턴 역학과 전자기학으로 설명할 수 없는 부분이었다. 후일 보어의 양자론의 탄생으로 이것이 해결된다.
3. 실험 기구 및 재료
광학대, 레이저, 이중슬릿, 줄자
광학대 [光學臺, optical bench]
광학적 측정에 있어서 광원, 시료, 렌즈 등을 일직선상에 배열하기 위한 눈금이 달린 레일을 말한다. 레일에 밀착해서 접동(摺動)할 수 있는 부착장치가 붙어 있어 요소를 자유로이 교환할 수 있게 되어 있다. 정밀한 것은 2개의 레일로 되어 있으며, 콘크리트
대(臺)에 고정한다. 전체의 길이는 1.5∼10m이다.
레이저 [LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)]
복사의 유도 방출과정에 의한 빛의 증폭. 세기가 아주 강하고 멀리까지 퍼지지 않고 전달되는 단색광을 방출한다.
슬릿 [slit]
광속의 단면을 적당하게 제한하여 통과시킬 목적의 좁은 틈새. 슬릿의 개수에 따라서 단일슬릿, 이중슬릿, 삼중슬릿 등으로 구분한다.
4. 실험 방법
(1) 그림34.5와 가팅 광학대 의에 레이저, 슬릿, 스키린을 장치한다.
(2) 슬릿과 스크린의 간격 를 가능한 길게 하고 길이를 측정한다.
(3) 스크린 상의 가장 밝은 간섭무늬()의 중심으로부터 일 때의 밝은 무늬의 중심까지의 거리 를 측정한다.
(4) 일때의 밝은 무늬의 중심까지의 거리 를 측정한다.
(5) 회절에 의한 무늬에서 첫 번째 어두운 무늬()가 나타나는 점까지의 거리 을 측정한다.
(6) 두 번째 어두움 무늬()가 나타나는 점까지의 거리 을 측정한다.
(7) 를 줄이면서 (2)번부터 (6)번 과정을 반복한다.
(8) 다른 간격과 폭을 가진 이중 슬릿에 대해서도 위 과정을 반복한다.
※ 주의 : 슬릿의 면에 지문이 찍히지 않도록 주의한다.
*예측
이번 실험은 앞의 식 (34.4) 와 (34.7), (34.9) 의 식을 이용해서
결과보고서를 써야할 것 같습니다.
스크린 상의 가장 밝은 간섭무늬()의 중심으로부터 일 때의 밝은 무늬의 중심까지의 거리 는 n이 커질수록 그 값 역시 커질 것 같고,
회절에 의한 무늬에서 첫 번째 어두운 무늬()가 나타나는 점까지의 거리 는
역시 n이 커질수록 커질 것 같은데, 그 비율이 좀 더 클 것 같습니다.
슬릿간격 a가 슬릿 폭 b보다 크기 때문입니다.
*구상
“이중 슬릿에 의한 레이저 광을 이용하여 이중 슬릿에 의한 Fraunhofer 회절무늬로부터 빛의 성질인 간섭과 회절을 이해하고, 이중 슬릿의 간격과 폭을 측정한다.” 라는 목적을 가진 실험입니다.
측정해야 할 값이 상당히 많습니다.
일반물리학 실험실 사이트에 올라와 있는 방법을 실험 전에 보고나서
주의사항과 실험 방법 등을 숙지한 다음 실험에 임해야 할 것 같습니다.
예비보고서도 숙지해야 하지만 사진을 통해서 시각적으로 기억하는 것이
좀 더 효과적일 것 같습니다.
시간이 오래 걸리진 않을 듯 한데 시간을 줄일 수 있도록 확실히 이해를 해야겠습니다.
*유의사항
-장치를 임의로 사용하지 않고, 조교님의 지세에 따라서 꼭 필요한 부분만 사용한다.
-정확하고 빠른 실험을 위해서 실험내용을 충분히 숙지하고 실험에 임한다.
-실험에 임하기 전에 기기의 상태를 점검하고 실험에 차질이 없도록 한다.
-소란스럽지 않게 실험에만 집중한다.
-레이저, 광학대, 이중슬릿의 사용에 특히 유념한다.
*참고 문헌 및 출처
위키백과
네이버 백과 사전
일반물리학 실험 [부산대 물리학 교재 재편찬 위원회]
부산대학교 물리학과 [www.phys.pusan.ac.kr]
일반물리학 실험실 H.P [164.125.150.22]
누드 교과서 물리 1&2

키워드

부산대,   일반물리학실험,   일물실,   이중슬릿,   빛 간섭,   빛 회절,   예비보고서