프리즘

프리즘을 이용한 스펙트럼 측정

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분광기_프리즘이나 회절격자를 이용해서 빛의 스펙트럼을 측정한다.

프리즘으로 파장의 분포를 분석한다.

예전에 뉴턴이 프리즘으로 햇빛의 백색광에 무지개의 7 색이 들어 있는 것을 알아내게 된 이후 미지의 빛에 포함된 색의 요소를 찾아내는 용도로 프리즘이 널리 사용되었다. 색이 파장과 관련되어 있다는 것을 알고 난 이후에는 프리즘이 파장의 성분을 분석하는 용도로 쓰이게 되는 데 이러한 장치를 일반적으로 분광기 또는 스펙트로미터(spectrometer)라 한다.

이러한 분광기는 여기서 다루는 프리즘을 이용하는 것과 회절격자를 이용하는 것이 있는 데 후자가 보다더 정교한 측정이 가능하다. 오른쪽의 사진은 실습용으로 사용하는 분광기로서 가운데 스테이지에 프리즘을 올려 놓고 평행광을 입사시켜서 굴절되는 빛을 관찰하게 된다.

아래 프로그램은 프리즘의 분산을 이용해서 빛의 스펙트럼을 측정하는 분광기의 원리를 설명한다. 분리된 광선을 볼록렌즈로 집속하면 이의 초점면에 파장별로 다른 위치에 상이 맺히는 것을 볼 수 있다.

프로그램 설명

1. 화면 아래의 슬라이더로 프리즘의 꼭지각과 방향, 그리고 렌즈의 방향을 조절할 수 있다. 또한 화면의 렌즈의 중심을 마우스로 끌어서 그 위치를 변경할 수 있다. 프리즘은 이등변삼각형이며 이의 방향은 대칭 축이 수직으로 서 있는 것을 기준으로 한다. 볼록렌즈의 경우에는 렌즈가 바로 서 있어 광축이 수평으로 있는 경우를 기준으로 한다.

2. 오른편 아래의 '리셋' 버튼을 누르면 그려진 화면을 정리하고 처음 시간의 상태로 된다.

3. '리셋' 아래의 '시작' 버튼을 누르면 시간의 진행에 따라 광선이 진행하게 된다. 진행상태에서는 '시작'은 '정지'로 바뀌는 데 이때 버튼을 다시 누르면 일시 정지한 모습을 볼 수 있다.

4. 매질은 유리, 결정, 플라스틱 등이며 10여 종의 실제의 물질의 데이터를 이용하였다. 단 처음에 나타나는 'Artificial'의 경우는 분산의 정도를 크게 준 가상의 물질이다.

5. 입사하는 빛에는 400, 500, 600, 700 nm의 네 색이 포함되어 있으며 각각을 빨강, 노랑, 녹색, 보라색으로 나타내었다. 단 여기서 제시한 플라스틱 종류는 모두 400 nm의 빛을 흡수하므로 이 광선은 프리즘에 입사하면 사라진다.

6. 볼록렌즈를 구성하는 물질은 분산이 없어서 굴절률이 고정된 값으로 $n_l = 2.0$이다. 평행광선이 렌즈의 초점면에 점으로 집속되어야 하나 구면수차 때문에 약간 퍼진다.

7. 프리즘은 실제로 삼각기둥 형태이므로 이 그림은 기둥의 수직 절단면에 대한 것으로 볼 수 있다.

8. 화면을 마우스로 클릭하면 그 지점에 십자선이 그어지고, 좌표값이 옆에 표시된다.

9. '크게보기'를 통해 큰 그림으로 보면 광선을 보다 세부적으로 관찰할 수 있다.

빛의 스펙트럼 측정

1. 주어진 각각의 매질에 대해 프리즘의 꼭지각, 방향, 렌즈의 위치와 방향을 변경해서 가장 정교하게 스펙트럼이 측정되는 조건을 만들어 보자. 이러한 조건이 충족되었다고 판단되는 장면의 화면을 그림파일로 저장해서 보고한다.

[질문1] 프리즘은 실제로 삼각기둥 형태이다. 따라서 위 그림에서 화면에 대해 수직 방향으로 이동해도 프리즘을 통과한 광선은 그대로 이다. 그러나 볼록렌즈는 광축에 대한 회전대칭만 있다. 이러한 점을 고려해서 볼록렌즈를 통해 집속되는 각 파장의 빔이 스크린에 어떠한 영상을 맺을지 예상하라.

[질문2] 실제의 프리즘을 이용한 분광기는 측정하려는 광원에서 나오는 넓게 퍼진 빛을 좁은 틈(슬릿)을 통과시켜서 측정한다. 슬릿의 방향이 화면에 대해 수직이라면 렌즈의 초점면에도 파장별로 다른 위치에 슬릿과 닮은 띠 모양의 상이 맺히게 된다. 이유가 무엇일까? 이러한 절차로 정교하게 실험할 수 있는 장치를 구상하라.

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