회절격자 분광기를 이용한 스펙트럼 측정

이론
	빛은 우리가 사물을 인식하는데 직접적인 매개가 되기 때문에 일찍부터 자연과학자들 뿐만 아니라 철학자들에게도 주요한 연구 대상이었다. 태양으로부터 발생되어 나온 빛은 우리 앞에 있는 물체에서 반사되어 눈으로 들어오게 되어 우리는 그 빛의 눈부신 정도(밝기, 强度 : intensity), 색깔, 빛의 범위 등으로부터 그 물체를 분간할 수 있었고, 그것을 지적하기 위하여 이름을 매기게 되었던 것이다. 빛의 본성이 무엇이냐에 대하여 소위 입자설과 파동설이 각각 한 세기 정도를 지배하는 이론으로 되어 있었으나, 지금의 입장에서는 두 성질이 공존한다는 약간은 애매모호하고 타협적인 결론에 도달해 있다고 말할 수 있다. 즉 맥스웰(Maxwell)의 전기학, 자기학의 통합이론에서 유도되는 전자기파중의 특정한 범위의 파장을 갖는 파동이라는 입장과 또한 아인슈타인(Einstein)의 광전효과의 해석에서처럼 물질(matter)과 상호작용(interaction)을 에너지의 덩어리 형태로 한다는 量子(quanta:입자)라는 입장이 공존하고 있다는 말이 된다. 이러한 점을 빛의 이중성(duality)이라고 일컫는데 이 두가지 성질은 측정하는 기구의 구조(mechanism)에 따라 각각 따로 나타나게 된다.(동시에 나타나지 않는다.) 파동적인 입장에서는 빛이 가지고 있는 파장에 따라 빛을 구분하여 파장이 긴 쪽으로부터 장파, 중파, 단파, ...., 적외선, 가시광선, 자외선, X-선, γ-선이라 한다. 이중 우리가 통상적으로 빛이라 하는 것은 우리 눈으로 감지할 수 있는 가시광선을 보통 이야기 한다 (태초에 하나님께서 있으라 하심에 있게 되었던 '빛'은 무엇을 이야기 할까?). 가시광선은 300nm∼700nm의 파장을 갖고 있고, 그 파장에 따라 우리는 색깔이 다른 것으로 받아 들인다. 그러나 태양에서 나오는 빛처럼 여러 종류의 파장이 연속적으로 섞여 있는 경우도 있고, 네온사인이나 레이저에서 나오는 영롱한 빛처럼 몇개의 불연속적인 단일 파장으로 구성되어 있는 빛도 있다. 후자의 경우, 파장에 대해 그 섞여 있는 정도를 스펙트럼(spectrum)이라고 한다. 스펙트럼을 측정하는 초보적인 방법은 프리즘으로 빛을 굴절시켜 보는 것이다. 유리의 굴절율이 파장에 따라 다르기 때문에 굴절된 빛은 색깔 별로 분리되는데 이 방법으로는 측정 정밀도(분해능이라 함)에 한계가 있다. 분해능을 높이기 위해서 회절격자를 이용하는데 이는 빛의 간섭현상을 이용한 것이다.
	<회절격자> 회절격자는 평면유리나 오목한 금속판에 다수의 평행선을 등간격으로 새긴 것으로 이것에다 빛을 비추면 투과 또는 반사된 빛이 파장 별로 나뉘어서 그 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 회절격자(평면유리로 만들어진)에 평행으로 입사한 빛들은 금이 그어진 곳에서는 흡수가 되거나 산란하여 버리고 금이 그어지지 않은 좁은 틈으로 들어오는 빛은 통과한다. 그러나 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 호이겐스 원리에 의하여 회절되어 원기둥 형태로 퍼져 나간다. 이때 이웃하는 틈으로 통과한 빛과의 광로 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면 서로 보강간섭이 일어나서 빛이 강해지나, 광로차이가 파장의 정수배가 아닐 때에는 소멸하여 버린다. 따라서 보강간섭이 일어나는 조건이 성립하는 어떤 특정한 방향으로만 빛이 밝게 비추어지고, 그 조건은 그 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에, 여러 파장의 빛이 섞여 있을 때에는 프리즘에서처럼 파장 별로 분리가 되는 것이다.
	그림 1. 회절격자에서 θ로 산란된 빛
	회절격자에서 평행선의 간격을 a라 할 때 보강간섭이 일어나는 조건은 <식 1> 이다 (여기서 n은 -2,-1,0,1,2..등 정수이고 는 빛의 파장, θ는 회절각임).

실험장치

그림 2. 분광기의 구조. 그림에서 왼쪽에 광원이 있고 광원에서 나온 빛은 슬릿을 통과하여 콜리메이터를 통하여 평행광선이 된다. 가운데 원형의 지지대 위에 회절격자가 놓여 있어서 색깔(파장)별로 분리되어 망원경으로 들어간다. 여러가지 색깔을 포함한 광원일 때는 회절각도 θ가 각각의 색깔에 따라 달라져서 망원경을 조절함에 따라 각각을 볼 수 있다. 위 그림은 한가지 색깔에 대해서만 그린 것이다.

(1) 회절격자(diffraction Grating) : 1mm에 500∼600개 정도의 미세한 금이 그어져 있는 투과형 회절격자.

(2) 분광기(Spectrometer)

ⓐ 콜리메이터(Collimator) : 콜리메이터 렌즈의 초점위치에 있는 좁은 슬릿을 통하여 분석될 빛이 콜리메이터로 들어간다. 슬릿을 통하여 들어온 모든 빛은 렌즈에 의해 평행광선이 되어서 회절격자에 수직으로 입사하도록 해준다.

ⓑ 망원경 : 회절격자에서 회절된 평행광선을 선명하게 관측할 수 있다. 대안렌즈의 내부에는 십자로 금이 그어진 기준선이 있어서 콜리메이터의 슬릿의 허상과 일치시킬 수 있게 되어 있다. 받침에 각도눈금이 붙어 있어 망원경에서 관측되는 빛이 회절격자로부터 회절된 각도를 측정할 수 있다.

ⓓ 기타 부속품들 : 회절격자, 지지대등

(3) 광원 : 기체방전관 (수소, 헬륨, 네온, 수은 등), 고압전원

실험방법
	< 버어니어 눈금 읽는 법 > (1) 버어니어의 0점이 가르키는 각도를 읽어준다. (그림 4 의 경우 178˚30'과 179˚사이에 있으므로 178˚30'로 기록해 둔다.) (2) 버어니어의 눈금들 중에서 각도눈금과 일치하는 선을 찾아서 버어니어의 수치를 읽는다 (그림에서는 버어니어의 14 눈금과 각도계의 172˚가 일치하고 있다). (3) (1)에서 읽어 준 각도의 분 단위에 (2)에서 측정한 버어니어의 눈금을 더하면 바로 망원경의 각도가 된다 (위 그림에서는 178˚30' + 14' = 178˚44' 로 측정된다). (4) 여기서의 각도 측정은 60진법이나, 보통 각도 단위로 10 진법을 써서 여러가지 계산을 하므로 이를 환산한다 (178˚44'=178.733).
	그림 3. 망원경과 같이 움직이는 버어니어와 기저의 각도눈금
	< 분광기 정렬 > (1) 분광기를 평평하고 안정된 실험대 위에 설치한다. 이때 분광기 밑에 있는 높이 조절나사들을 조절하여 분광기가 수평이 되도록 한다. (2) 망원경과 콜리메이터를 받치고 있는 지렛대의 양쪽에 두개의 조절나사를 잘 조절하여 수평이 되도록 한다 (미리 맞추어져 있을 것이므로 필요한 경우에만 조절한다). (3) 망원경이 분광기에 수직인 회전축을 중심으로 잘 회전할 수 있도록 해둔다.(망원경을 회전하지 못하도록 붙잡아두는 나사를 느슨하게 해둔다.) (4) 망원경을 들여다 보아서 가운데 십자선이 명확하게 보이도록 대안렌즈를 앞뒤로 조절한다. 그리고 십자선의 한 선이 수직이 되도록 돌려준다. (5) 망원경을 들여다 보면서 오른쪽의 조절 손잡이를 조절하여 무한대에 초점을 맞춘다. (망원경을 먼 곳으로 향하게 하고 물체가 명확하게 보이도록 한다.) (6) 콜리메이터 끝에 붙어 있는 슬릿을 조금 열고 콜리메이터와 망원경을 나란하게 한다. (7) 망원경을 들여다 보아 슬릿을 통해 들어오는 밝은 빛을 화면 가운데 오도록 한다. (8) 콜리메이터에 붙어 있는 초점조절 나사를 조절하여 망원경으로 슬릿의 선명한 상을 볼 수 있도록 한다. 그리고 슬릿의 폭을 최대한 줄여 상을 가느다라하게 하고 이 선과 십자선의 수직선과 일치시킨다. (9) 망원경의 고정 나사를 조여준다. < 회절격자를 설치하는 법 > (1) 가운데 있는 회전대의 밑부분을 회전시켜서 그 회전대 양쪽의 버어니어 눈금이 0^o와 180^o를 가르키도록 한 후 더 이상 회전하지 못하도록 고정한다. (2) 회절격자를 가운데의 설치대에 끼운다. (이때 회절격자로 불빛을 바라 보아서 회절격자의 격자선이 그어져 있는 방향을 알아내고, 그 격자선이 정확하게 수직이 되도록 설치대에 끼운다.) (3) 콜리메이터의 슬릿 앞에 광원(백색광원 가능)을 설치한 후, 망원경을 들여다보아 슬릿을 통해서 들어오는 가는 불빛이 선명하게 보이도록 <분광기 정렬>에서처럼 조절을 다시 한다. (4) 망원경을 회전시켜서 어느 각도에 이르러 회절된 무지개 색깔의 스펙트럼 이 화 면의 중앙에 배치되어 있는지 확인한다. 그렇지 않다면 회절격자가 수직으로 잘 놓이지 못한 경우일 것이다. 회절격자를 미세하게 기울여서 스펙트럼을 화면의 중앙에 오도록 한다. (5) 망원경을 콜리메이터와 다시 나란하게 하여서 이때의 망원경의 각도가 0을 가르키도록 적당히 조절한다. (잘 조절한 후에는 나사들을 조여서 망원경을 제외하고는 더 이상 움지이지 않도록 한다.) <스펙트럼 측정법 > (1) 스펙트럼을 측정하고자 하는 광원을 켜서 슬릿에 밀착하여 슬릿 속으로 불빛이 들어가도록 한다. (기체방전관의 경우 고전압 발생장치에서 나오는 전압이 5000V 정도이므로 감전을 조심하여야 한다.) (2) 망원경을 들여다 보아서 광원에서 슬릿을 통과한 빛을 관측한다. 잘 되어 있지 않으면 <회절격자 설치법>에서의 방법을 되풀이 한다. (3) 망원경을 회전시키면 색깔 별로 분리된 스펙트럼들을 볼 수 있을 것이다. 각각의 색깔에 대하여 화면속의 십자선의 수직선에 일치 시키고 그때의 각도를 기록해 둔다 ( 각도 측정은 <버어니어의 눈금을 읽는 법> 참고). (4) 이때 각각의 무늬들의 색깔을 같이 적어두어 참고하도록 한다. 그리고 광원에 따라서 너무 많은 색으로 분리 되는 경우가 있는데, 그중 밝은 것들 10개정도만 측정하여도 좋다. (5) 측정한 각도들로부터 파장을 계산하여 기존의 알려진 값과 비교한다. (6) 광원을 바꾸어서 (1)∼(5)의 과정을 되풀이 한다.

분광기를 이용한 스펙트럼 측정

실험목적

이론

실험장치

실험방법

질문

참고도서