기초 전자 물리학 실험

소개글

기초 전자 물리학 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

①회절(Diffraction)
②단일 슬릿(slit)에 의한 회절
③원형 구멍(Circular aperture)에 의한 회절
④회절격자에 의한 회절
⑤예비문제
⑥실험과정

본문내용

- 회절격자는 회절되는 빛의 방향으로 투과형과 반사형으로 구분
⇒ 투과형 회절 격자 : 빛이 차수별로 회절되는 것,
- 회절격자는 프리즘 보다 빛을 분산시키는 성능이 좋고 스펙트럼 띠가 장파장인 빨강 쪽에서도 좁아지지 않으며, 빨강에서 보라에 이르기까지 스펙트럼의 색 띠가 각 파장마다 균일하게 퍼지며, 스펙트럼 띠가 1차,2차,3차 등으로 병렬적으로 나타나는 점 등 프리즘에 의해 이어나는 분산과 다른 특징을 보임.
<예비문제>
1) 슬릿 폭 인 회절체에 파장 적색광을 조사했을 때 나타나는 회절무늬의 1차 회절 빔의 폭 는 얼마인가? 슬릿과 스크린과의 거리는 L=100mm 이라고 가정하라.
( 단일 슬릿 회절에서 ( ) 이다.
1차 무늬 이므로 m에 1을 대입
=0.0325가 된다.
이므로 회절 빔의 폭 는 m이다. )
2) 예비 문제 1)에서 광원의 파장을 청색으로 바꾸면 결과가 어떻게 될까? 그 결과로 파장이 큰 쪽이 회절이 잘 일어나는가? 파장이 작은 쪽이 회절이 잘 일어나는가?
( 청색 광원의 파장은 적색광보다 작다.
에서 파장이 작으면 sin값이 더 작게 나온다.
그러므로, 파장이 긴 쪽이 더 회절이 더 잘 된다. )
3) 원형 구멍의 지름 인 회절체에 파장 적색광을 조사했을 때 나타나는 에어리 디스크의 지름 는 얼마인가? 원형 구멍과 스크린과의 거리는 이라고 가정하라.
( 분해 한계각 이다.
=약 .
한계각에 대한 tan값은 가 된다. )
따라서 구하는 는 약 이 나온다. )
4) 적도 위 에 TV 중계용 정지위성이 떠 있다. 위성에 탑재된 직경 인 파라보라 안테나에 주파수 마이크로파를 평행하게 조사한다. 이 마이크로파가 지구 표면 도달했을 때 회절에 의하여 얼마만한 크기 로 빔이 퍼질까?
( 분해 한계각 이다.
빛의 속력 c는 m/s인데, 이다. 이 식에서 를 구하면 0.03이다.
이 를 분해한계각 식에 넣으면 분해한계각은 0.0183°가 된다.
마찬가지로 한계각에 대한 tan값은 가 되기 때문에 구하는 는 약 22.99m가 나온다. 따라서 빔은 22.99m만큼 퍼진다. )
5) 우리 눈의 각도 해상도를 원형 구멍의 회절로 구하라.
( 일반인의 동공의 크기는 7mm~9mm사이
대략적으로 8mm로 계산을 해보면,
우리 눈이 볼 수 있는 가시광선의 파장은 380nm ~ 780nm이므로 위 식을 계산하면 청색광일 때(380nm) 각도 해상도는 이고, 적색광일 때는 (780nm) 각도 해상도는 이다. )
6) CD와 DVD의 격자 주기 d(홈 간격)을 각각 조사보고하라.
( CD의 격자 주기는 d=이고, DVD의 격자주기는 d= 0.74㎛이다. 빛이 격자 주기에 따라 회절하게 되는데 회절하는 각도는 빛의 파장에 따라 달라지게 된다. 각각의 회절각도가 다르므로, 기준위치에서의 빛과, 그 이웃한 영역에서 빛의 파장이 다르다. 그래서 무지개 빛으로 보이게 된다. )
7) CD에 파장 적색 레이저광을 수직 입사시켰을 때 간이형 반사 회절격자 효과로 나타나는 회절각 을 차수별로 구하라.
( 회절격자에 의한 회절에서 이고 이 식은 일 때 성립한다. 위 식을 변형하면 가 된다. d는 위의 문제에서 d=가 나왔다.
m=0일 때 = 0°
m=+1일 때 = 24.20°, m=-1일 때 = -24.20°
m=+2일 때 = 54.34°, m=-2일 때 = -54.34°
m=+3일 때는 sin값이 1이 넘으므로 모순이다. 따라서 나타나지 않는다. )
■ 5. 실험방법
실험 A . 단일 슬릿 회절체에 의한 회절 실험
1) 단일 슬릿 회절 실험을 구성하고, 광학레일에 적색 레이저 광원, 단일 슬릿 세트, Light sensor를 일렬로 배열한다.
2) 단일 슬릿 세트 중 슬릿 폭이 가장 작은 것에 레이저광을 통과시켜 모눈종이 스크린에 조사하여, 그 회절 패턴을 관측하고 디지털 카메라로 촬영기록한다.
3) 슬릿 세트를 빼고, Light sensor의 각도계의 눈금이 정확하게 0°를 가리키도록 한다.(수신기의 감도가 최적인 상태로 한다.)
4) Light sensor 앞에 설치된 구멍(aperture) 중 가장 작은 것을 골라서 광센서 각도 해상도가 최대로 되게 한다.
5) 0°에서부터 조금씩 움직여 Light sensor에 검출되는 intensity의 크기를 회절 각도 에 대해 측정한다. 회절각 에 따른 회절광의 세기를 측정기록하라. 최대값, 최소값이 측정하는 각도들 사이에서 나타난다면 그 각도에서도 측정하여 최대, 최소의 각도를 정확히 측정하도록 한다.
6) 적색 레이저 대신에 녹색 레이저로 바꾸고 실험과정 1)~5)를 반복한다.
7) 슬릿의 폭을 바꾸면서 실험과정 1)~5)를 반복한다.
실험 B. 원형 구멍 회절체, 사각 구멍 회절체 및 면도날 반평면 회절체에 의한 회절 실험
1) 단일 슬릿 대신에 원형 구멍으로 바꾸고 실험 A. 실험 과정 1)~2)를 반복한다.
2) 단일 슬릿 대신에 사각 구멍으로 바꾸고 실험 A. 실험 과정 1)~2)를 반복한다.
3) 면도날을 지우개에 찔러서 고정하고 면도날 끝을 반평면 회절체로 사용하여 회절 실험을 실시하라. 레이저광이 절반만 면도날을 지나가게 하라. 회절에 의해서 나타나는 가로 휘선을 디지털 카메라로 기록한다.
실험 C. 회절격자를 이용한 회절격자 실험
1) 회절격자 회절 실험을 구성하고, 적색 레이저 광원에서 나오는 빛이 회절격자(투과형)에 의해 회절되어, Light sensor로 수신한다. 각 회절 차수별(0차, +1차, -1차, +2차, -2차,)로 회절된 각도 를 측정하라. 회절격자 대신에 CD나 DVD로 바꾸고 다시 실험한다.
2) 실험과정 1)을 녹색 레이저 광원에 대하여 반복한다.
3) 회절 격자 실험 구성도에서 광원을 레이저 광원 대신에 백색광원(평행 광선이 나오는 손전등)으로 바꾸고 회절격자 실험을 반복수행한다. 이때 Collimating 슬릿의 슬릿 폭을 적당한 크기로 선택하여 회절 차수 간에 서로 겹치지 않게 한다. 회절된 6색 무지개 빛의 회절각도를 측정한다.
4) CD 나 DVD를 손으로 들고 형광등 불빛을 반사 회절시켜 무지개를 관찰하라. 백색 광원과 어떻게 다른지, 색 띠가 몇 개 관측되는지 확인한다.

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