[자연과학] 일반물리실험 - 회절격자의 격자상수 측정

일반물리실험 - 회절격자의 격자상수 측정
⊙ 실험목적
빛의 회절 현상을 이해하기 위해 격자상수를 알고 있는 회절격자를 이용하여 주어진 광원의 파장을 측정하고 이 광원을 사용하여 미지의 회절격자의 격자상수를 측정한다.
⊙ 이론

1) 회절격자(에돌이발) (1)

그림[1]에 나타나 있는 바와 같이 유리판 위에 단위길이 1cm 마다 n개의 평행선을 그린 회절격자(G)에 파장이 λ인 평행광선이 수직으로 입사할 때, 격자를 통과한 후 입사 방향에 대하여 m차 회절광이 각도를 가지고 회절되었다고 하자. 이웃한 평행광선 사이의 광로차는 Δ 〓 d sin 이므로 Δ 〓 d sin 〓 mλ 를 만족시키는 각도 에 대하여 회절 된 빛들이 모두 보강 간섭을 하므로 빛의 세기가 최대로 된다. 이 부분을 에돌이선이라 부른다. 여기서 d〓(1/n) mm은 격자상수이고, m은 회절광의 차수를 표시해 준다. 따라서 회절각 를 측정하면, 회절격자상수 d를 알고 있을 때는 사용하는 광원의 파장 λ를 알게 되고, λ를 알고 있을 때는 d를 결정할 수 있다.
⊙ 실험기구 및 장치
⊙ 실험방법
1-1) Data studio program 설치

(1) Science Workshop 인터페이스를 컴퓨터에 연결하고, 인터페이스를 켠 후 컴퓨터를 켠다.

(2) 광센서와 회전모션센서를 각각 인터페이스의 Analog Channel A와 Digital Channel에 연결한다.

1-2) 기기 및 장치

아래 그림과 같이 광원을 광학받침대 한쪽에 놓고 회전판 팔 부분에는 광 센서를 고정한다. 회전판의 중앙에는 회전모션센서를 연결하여 회전판의 움직인 각도를 회전모션센서가 측정할 수 있도록 한다.…
2) 광원의 파장측정

(1) 그림과 같이 광 받침대에 광원을 설치하고 회전판에 이미 알고 있는 격자상수의 회절격자를 놓고 회전판을 모션센서에 부착한다.

(2) 광센서의 앞에 슬릿을 부착하여 가능한 한 회절격자를 통과한 빛의 세기를 세밀하게 측정하도록 한다.

(3) 회전판에 부착된 광센서에 들어오는 빛의 양을 보고 0차의 회절광이 들어오는 각도로 초기 장치를 꾸민다.

(4) Data Studio를 구동하여 광센서와 모션센서를 연결한다.

(5) Data Studio의 오른쪽 하단 메뉴에서 Light sensor에 대한 그래프를 선택하고, 그래프의 x축을 클릭하여, 빛의 세기와 각도에 대한 그래프로 변환시킨다.

(6) 회전판을 천천히 회전시키며 각에 따른 빛의 세기를 관찰한다.

(7) 이 때 빛의 세기와 회전각을 보고 0도 이후에 세기가 큰 지점의 각도를 읽어내어 각 차수의 회절각을 알아낸다.

(8) 3차 회절각까지 읽도록 한다.

(9) 회절판을 영점으로 이동시킨 후 회전판을 반대로 회전시켜가며 과정 (6)-(8)를 반복하여 반대편의 3차 회절각까지 측정한다.

(10)측정결과를 표.1에 기록하여 각 차수의 회절각의 평균값을 구하고 이미 알고 있는 격자상수를 이용하여 광원의 파장을 계산한다.

3) 미지격자의 격자상수 측정

(1) 실험1에서 사용한 회절격자는 미지의 격자상수를 가진 회절격자로 바꾸어 부착한다.

(2) 실험1에서와 같은 방법으로 실험하여 회절각을 알아낸다.

(3) 측정한 회절각과 광원의 파장을 통해 격자상수를 구한다.

표.1 광원의 파장 측정실험

12.375 도

23.6