시분해 열적 렌즈 효과

목차

I. 서 론

II. 실 험

실험장치 :

시약 :

실험과정 :

※ 시료 용기의 위치

III. 데이터 분석

참고문헌

본문내용

대입하여 역으로
W_0
를 결정하는 방법이다. 그리고 이
W_0
를 이용하여 다른 용매에 대한 tc 및
C_p
를 측정하는 것이다.
C_p
및 열전도도 등이 잘 알려진 용매들이 표 8.1에 요약되어 있다.
Solvent
Cp(j/mol K)
k×103(W/m K)
ρ (kg/m3)
M×103(kg/mol)
Methanol
81.6
201
791.4
32
Ethanol
113.0
167
789.3
46
Water
75.3
611
1000
18
2-Propanol
154.7
138
781
60
1-Butanol
177.2
152
806
74
Acetone
126.4
160
789.9
58
표 8.1 여러 용매에 대한 열적, 광학적 데이터.
II. 실 험
실험장치 :
본 실험에서는 장치 사용을 간편하게 하기 위하여 파장 532 nm의 푸른색 반도체 레이저를 광원으로 사용하고, 이 파장에서 흡수가 큰 용액을 시료로 사용한다. 또 광섬유를 이용하면 광축의 길이가 감소하여 장치가 단순해진다. 전류를 조절하여 레이저를 켜고 끄는 전기적 chopping방법에 의해 입사되는 레이저빔을 직각 파의 형태로 만들어 시료에 조사함으로써 반복측정이 가능토록 하였다. 본 실험에 이용되는 기구 및 시약은 다음과 같다.
반도체 레이저(파장 532 nm, 출력 40 mW)
전원 공급장치 전류 조절장치
볼록렌즈(FL 60 mm 정도)
다이오드 광 검출기(photodiode detector)
UV용 큐벳(1×1×5 cm) 단일모드 광섬유(1 m),
광섬유 집게(optical fiber holder) 오실로스코프
시약 :
염료 - Acid Blue 25, Indophenol Blue, Bromophenol Blue
유기용매 - 메탄올, 부탄올, 물, 아세톤, 벤젠, 사염화탄소, 톨루엔
시클로헥산, 디에틸에테르
표준 시료 - Iodine을 아세톤에 희석시켜 만든다.
Iodine 의
{bar C}_p
= 54.44 (J·mol-1·K-1)
실험과정 :
① 광학레일 위에 그림 8.2와 같이 장치를 설치한다.
② 전원 공급장치는 직류변압기를 사용하며, 5 - 10 volt 정도로 조정하여 반도체 레이저를 발진시킨다.
③ 레이저가 발진되면, 레이저 빔, 렌즈, 광섬유 절단면이 일직선상에 놓이도록 장치를 설치한다. 이 때 광섬유의 단면이 레이저빔의 단면에 평행하지 않으면 정확한 결과를 얻을 수 없다. 따라서 오실로스코프의 신호가 최대로 되도록 레이저빔의 위치와 광섬유집게를 조절한다.
④ 레이저빔은 전류 조절기를 이용하여 10 - 50 Hz의 주파수를 갖도록 한다. 이 때 오실로스코프를 이용하여 직각 파가 형성되었는지 확인한다.
⑤ 시료의 용기가 움직이지 않도록 주의하며 스포이드로 시료를 주입한다. 열적 렌즈 효과는 시료 용기의 위치에 영향을 크게 받으므로, 레이저빔이 렌즈에 의해 집속된 초점 근처에서 위치를 변동시키면서 최대의 열적 렌즈 효과가 나타나는 곳에 시료용기를 고정시킨다.
그림 8.2 열적 렌즈 열 계량법 실험장치(A : 전원, B : 레이저,
C : 렌즈, D : 시료용기, E : 광섬유 집게 및 광섬유
F : 광다이오드 검출기, G : 오실로스코프).
⑥ 광섬유는 시료 용기를 통과한 레이저빔의 중앙에 시료용기에서 약 5 mm정도 떨어진 곳에 설치한다.
⑦ 시료용기와 광섬유사이의 거리를 이동시키면 검출기로 들어가는 빛의 양을 조절할 수 있다.
⑧ 시간 경과에 따라 감소하는 빛의 세기를 측정하여 시간상수 Tc를 구한다.
※ 장치가 정확히 설치되지 않으면 올바른 데이터를 얻기가 어려우므로 세심한 주의를 요한다. 표 8.2에는 반도체 레이저의 의하여 열적 렌즈 효과를 보이는 화합물과 알맞은 농도를 표시하였다. 시료용액은 많은 양이 필요한 것이 아니므로, 각 용액의 stock solution을 만들어 실험할 때 희석하여 사용한다. 또 레이저를 작동시킬 때는 눈을 보호하기 위하여 안경을 착용한다.
표 8.2 반도체 레이저의 의해 열적 렌즈 효과를 보이는 염료와 용액의 농도.
염 료
분 자 량
용 매
농 도 (M)
Acid Blue 25
416.4
MeOH
2.6×10-4
Indophenol Blue
279.3
MeOH
2.3×10-4
Bromophenol Blue
691.9
Acetone
2.0×10-4
Azulene
128.16
Acetone
2.4×10-4
그림 8.3 시료용기의 최적위치
※ 시료 용기의 위치
광학 이론에 따르면 레이저빔의 반경이 최소 빔 반경의
SQRT { 2}
배
(w_c ~=~ SQRT 2 w_o` )
가 되는 위치 (
Z_c
)에 놓여질 때 빛의 세기와 흡광도 A의 관계식은 다음과 같다. (그림 8.3 참조)
{ DELTA I} over { { I}_{o } } ~=~-2.303P LEFT ( {dn } over {dt } RIGHT )A lambdak ~=~2.303EA
(4)
여기서, Io는 레이저빔의 초기 세기,
DELTA I
는 열적 렌즈 효과가 규칙적인 상태에 도달한 후 빛의 세기손실(그림 8.1 참조), P는 레이저 출력, dn/dT는 온도변화에 대한 굴절률의 변화, λ는 레이저의 파장, k는 용매의 열전도도, E는 보강계수이며 열적 렌즈 신호와 흡광도의 비율로 정의된다. 따라서 초기값 Io에 대한 빔 중앙에서의 세기 손실
DELTA I
의 비, 즉
DELTA I
/Io를 측정하면 농도를 구할 수 있다.
III. 데이터 분석
① 표준시료 및 시료의 시간 상수, tc를 구하여라. tc는 레이저빔의 빛의 세기 감소에 대한 시간 상수로 오실로스코프의 파형을 식(1)에 따라 추적하여 구한다. 보다 간단히 구하는 방법은 식(1)에 의하면, t = tc에서의 빛의 세기 Ic는 식 (5)와 같이 표시된다.
I_c ~=~ I_0 ~-~ {DELTA I} over e
(5)
따라서 시간상수, tc는
I_0
의 값이 전체 세기 변화의 1/e배가 되는 시간이다.
② 표준 시료의 tc로부터 레이저 빔의 최소반경
W_0
을 구하여라.
③
W_0
를 사용하여 시료의
{bar C}_p
를 구하여라.
참고문헌
1. 충남대학교 화학과 김학진교수 제공

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