빛의 간섭과 회절

소개글

빛의 간섭과 회절에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 결과
2. 결과 분석
3. 오차 분석
4. 참고 문헌

본문내용

폭이 감소할수록 극대점에서의 광도는 감소하여 결과적으로는 a가 작아질수록 거리-광도 그래프가 좌우로 퍼지는 모습을 보인다.
- 만일 슬릿의 폭이 빛의 파장 수준으로 감소할 경우(), 가 되고, 이 때 에서 가 된다. 이는 극소점이 직각을 이룬다는 말로, 중심을 기준으로 스크린 상의 무한히 먼 곳에 극소점이 존재한다는 것이다. 따라서 균일한 빛이 스크린 전체를 비추게 됨을 의미한다.
2) 이중 슬릿에서의 빛의 회절
- 이중 슬릿의 간격 a와, 두 슬릿 사이의 거리 d를 달리하여 중앙부터 극소점까지의 거리 을 구하여 이를 통해 을 구한 후, 식 을 통해 빛의 파장을 구하여, 이를 문헌상의 빛의 파장과 비교하여 이론적으로 얻어진 해당 식이 실제로 성립함을 확인 할 수 있었다.
- 이론의 그림 3은 빛의 세기가 일정하고, 극대점과 극대점 사이의 간격이 일정한, sine 함수 모양의 그래프를 보여준다. 하지만 이는 이상적인 실험의 결과로, 실제 실험의 경우 각각의 이중 슬릿에 그 폭 a가 존재하여 단일 슬릿의 효과 또한 동시에 나타나게 되는 것이다. 이는 아래 이론의 그림 9를 보면 더욱 명확해진다.
- (C)에서 보라색 그래프는 이중 슬릿의 단일 슬릿적인 효과(폭 a)에 의한 것이고, 그 내부로 극대점과 극대점, 극소점과 극소점의 간격이 일정한 이중 슬릿에 의한 효과(간격 d)가 나타난다.
- 슬릿의 간격 d가 같고 폭 a가 다를 경우, 극소부터 극소, 극대부터 극대의 간격은 슬릿의 간격 d에 의존하는 이중 슬릿에 관계있는 요소이므로 변하지 않을 것이지만, 극대점에서의 빛의 밝기는 슬릿의 폭 a에 의존하는 단일 슬릿에 관계있는 요소이므로 변할 것이며, 그 양상은 앞서 단일 슬릿에서 살펴본 양상과 같을 것이다.
- 폭 a가 매우 작을 경우, 앞서 <실험 1>에서 알아본 바와 같이, 단일 슬릿에 관계된 요소가 무시될 것이다. (이므로 단일 슬릿에 의해서는 극소점이 존재하지 않음) 따라서 이론 3의 그림처럼 극댓값이 일정하고, 그 간격이 동일한 무늬를 보일 것이다.
- 슬릿의 폭 a가 같고, 간격 d가 다를 경우, 단일 슬릿에 의한 효과(그림 9에서 보라색 그래프)는 일정하고, 그 내부에서 이중 슬릿에 관계있는 요소인 극점 사이의 간격이 바뀔 것이다.
3) 회절격자
- 회절격자 내부의 슬릿의 간격이 d로 주어지고, 이 때 스크린 사이의 거리 R과 중심으로부터 첫 번째 극대점 사이의 거리 을 이용하여 을 구하고, 이를 통해 식 을 통해 빛의 파장을 구한 후, 이를 문헌상의 빛의 파장과 비교하여 이론적으로 얻어진 해당 식이 실제로 성립함을 확인 할 수 있었다.
3. 오차 분석
1) 단일 슬릿에서의 빛의 회절
- 적색 광원을 사용해서 실험 했을 때에는 오차가 23%~56%, 녹색 광원을 사용해서 실험 했을 때에는 3.6%~25%로 적색 광원으로 실험 했을 때 그 오차가 상당히 큼을 확인 할 수 있었다. 23%~56% 정도의 오차율을 보였다면, 실험 진행에 있어 중대한 문제가 있었음을 보여주는데, 오랜 토의와 생각 끝에 그 오차의 원인을 찾아내지 못했다. 우선 거리 및 광도 측정이 프로그램을 통해서 이루어졌으므로, 측정에서 오류가 있을 수 있지만, 이로 인한 오차범위보다 훨씬 크며, 녹색 광원으로 진행된 실험에서는 오차가 적색에 비해 상당히 낮아졌으므로 이는 타당하지 않다. 그리고 애초에 이 실험이 적색 광원과 녹색 광원을 ‘비교’하는 실험이므로 적색이어서 오차율이 크고 녹색이어서 작다는 논리는 맞지 않다. 따라서 우리는 해당 오차의 원인에 대해서 정확한 답을 찾을 수 없었다.
- 슬릿의 폭이 작아질수록 그 오차도 커졌는데, 이는 매뉴얼에 언급된 내용(슬릿의 오차 범위는 0.005mm이므로 폭이 작을수록 오차가 커질 수 있다)에서 그 원인을 찾을 수 있었다. 따라서 더욱 정교한 슬릿을 사용하면 그 오차를 줄일 수 있을 것이다.
2) 이중 슬릿에서의 빛의 회절
- 적색 광원을 사용해서 실험 했을 때에는 오차가 6.2%~31%, 녹색 광원을 사용해서 실험 했을 때에는 4.5%~29%로 적색 광원을 사용할 때 그 오차가 근소하게 더 컸다. 우리는 광원의 파장에 따른 오차의 원인이 정확히는 모르겠지만, 앞서 발생한 단일 슬릿 실험에서 발생한 파장에 따른 오차의 원인이 작용했다고 판단을 내렸다. 그 이유는 <실험 1>과 같다.
- 원래 슬릿의 폭이 작을수록, 간격이 작을수록 오차가 커진다고 매뉴얼에서 언급했는데, 실제 실험 결과 오히려 그와 반대로 슬릿의 폭이 클수록, 간격이 클수록 오차가 커지는 현상이 발생했다. 이는 슬릿 바꿔주고 나서 슬릿의 방향을 지면에 대해 수직으로 정렬해 주어야 하는데, 이 작업을 하지 않아서 그렇게 된 것으로 판단한다. 특기할만한 점으로, 슬릿의 간격이 m일 때는 적색과 녹색 광원 모두 오차율이 10% 이내였는데, 슬릿의 간격이 m일 때는 두 광원 모두 오차율이 20% 이상으로 크게 증가했다. 원래 슬릿의 간격이 작을수록 오차율이 증가하는 것과는 반대되는 현상으로, 우리는 이를 통해 해당 슬릿이 손상되어 실제 간격이 벌어졌다고 추측했다. 이 부분은 슬릿을 교체하면 줄어들 것으로 예상된다.
3) 회절격자
- 회절격자를 이용한 실험의 경우, 광원이 적색일 때는 3.5% 내외의 오차율을, 녹색일 때는 1% 이내의 오차율을 보였다. 앞선 실험 결과와 같이 적색 광원을 이용했을 때 오차율이 더 컸음을 확인 할 수 있었고, 그 원인도 앞선 실험의 원인과 같다고 생각한다.
- 슬릿 간격에 관련해서는 예상대로 간격이 작을수록 오차율이 커졌다. 이에 대해서는 앞서서 언급했다. 따라서 정교한 회절격자를 사용하면 이를 줄일 수 있을 것으로 보인다.
- 앞선 두 실험이 프로그램을 이용해 측정한 것과 달리 본 실험은 눈을 이용하여 길이를 측정했는데, 그 오차가 앞선 두 실험보다 현저히 작은 것을 보면, 프로그램을 이용해 측정했을 때 초점 조절 같은 기계를 이용한 작업에서 진행 했어야 하는 부분을 수행하지 않아서 앞선 두 실험의 오차가 커지지 않았을까 라는 의견도 나왔다.
4. 참고 문헌
- http://phylab.yonsei.ac.kr/exp_ref/209_Light_KOR.pdf

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