본문내용
1. 광활성 실험
1.1. 실험 목적
빛의 편광에 대한 Malus 법칙을 확인하고, 광활성(optical activity)을 갖는 매질에서 편광 방향이 회전하는 현상을 확인하는 것이다.
1.2. 기본이론
1.2.1. 빛의 편광
빛의 편광은 빛의 전자기파적 성질에 기인한다. 빛은 전자기파로서 그림 1과 같이 진행방향에 대해 수직으로 전기장(E)과 자기장(B)이 진동하는 횡파이다. 빛의 편광 방향은 전기장 벡터의 방향으로 정의된다. 따라서 빛은 진행방향에 대해 서로 수직인 두 가지 편광 방향을 가질 수 있다.
보통의 빛은 무질서하게 진동하는 다양한 편광 방향이 혼합되어 있는데, 이를 비편광 상태라고 한다. 특정 방향으로만 진동하는 빛을 편광된 빛이라고 하며, 이러한 편광 상태를 만들기 위해서는 편광 장치가 필요하다.
편광된 빛은 편광 방향에 대해 수직인 방향의 전기장 성분을 차단하는 편광판을 통과하면서 그 편광 상태가 유지된다. 이와 같이 편광판은 빛을 편광시키는 역할을 하며, 편광된 빛의 진동방향을 조절할 수 있다. 이러한 편광 특성은 광학 현상을 이해하고 응용하는 데 매우 중요한 개념이다.
1.2.2. Malus 법칙
빛의 편광 방향은 전기장 벡터의 방향으로 정의되며, 이에 따라 빛은 진행 방향에 대해 서로 수직인 두 가지 편광 방향을 가질 수 있다. 이러한 원리를 바탕으로 Malus 법칙이 성립한다.
Malus 법칙은 원점에서 출발한 빛이 θ만큼 기울어진 최초의 편광판을 통과한 후, y축 방향으로 놓인 편광판을 통과할 때 빛의 밝기 I가 I(θ) = I(0) cos²θ 로 주어진다는 것이다. 이는 빛의 밝기가 전기장의 제곱에 비례한다는 사실에 근거한다.
Malus 법칙은 프랑스 물리학자 Étienne-Louis Malus의 이름을 따서 명명되었으며, 편광판의 편광축과 빛의 편광 방향이 이루는 각도에 따라 빛의 투과율이 결정된다는 것을 보여준다. 실제 편광판의 경우 자신의 편광축에 수직인 성분의 편광을 완벽하게 차단하지는 못하며, 이를 나타내는 지표가 소광비이다.
1.2.3. 광활성
광활성은 화합물이 편광된 빛의 진동면을 회전시키는 성질을 말한다. 이는 키랄 분자의 전자에 의해 생성된 비대칭 전기장과 편광된 빛의 전자기 복사의 상호작용에서 발생한다.
화합물은 선형 편광된 빛이 통과할 때 회전하는 경우에 광학 활성을 가졌다고 한다. 광학 회전은 편광된 빛이 액체 층을 통과할 때 편광면이 회전하는 각도이다. 광 회전은 물질의 키랄 분자 및 분자 구조의 농도에 의해 결정되는 효과이다. 모든 광학 활성 물질에는 고유한 회전이 있다.
예를 들어 수정(quartz)은 대표적인 광활성 물질로, 편광된 빛이 통과할 때 편광 방향이 연속적으로 회전하는 현상을 보인다. 초기에 수직 방향으로 편광된 빛이 광활성 물질 내부를 진행하면서 수평방향으로 편광방향이 변화한다.
이처럼 빛의 진행에 따라 일정한 비율로 편광 방향이 회전하기 때문에 물질의 고유한 성질로서 단위 길이 진행에 대한 회전각으로 광회전능(optical rotatory power)을 정의할 수 있다.
또한 광활성이 없는 용매에 광활성을 가진 용질을 녹인 액체에서도 광활성을 보일 수 있는데, 이때 회전각도는 용매에 녹아 있는 용질의 농도에 비례하게 된다. 설탕도 광활성을 가진 용질이 될 수 있어서 설탕물에서도 광활성 현상을 관찰할 수 있다.
이러한 광활성 현상은 1811년 Biot에 의해 처음 발견되었다. 광활성이 없는 용매에 광활성을 가진 용질을 녹인 액체에서 편광 면의 회전각은 광활성을 가진 용질의 양에 비례한다고 알려져 있다.
1.3. 실험 방법
1.3.1. Malus 법칙 실험
Malus 법칙 실험은 편광된 빛의 특성을 확인하는 실험이다. 실험 방법은 다음과 같다.
먼저 그림 4와 같이 레이저, 두 개의 편광자, 광검출기와 멀티미터를 배치한다. 레이저를 끈 상태에서 멀티미터의 전압을 읽어 배경광의 영향을 측정한다. 그다음 두 편광자의 편광축을 수직으로 둔다. 레이저를 켜고 광검출기에 레이저 빛이 최대로 들어오도록 조절한다. 앞쪽 편광자의 편광축을 2도 간격으로 회전시키면서 광검출기에 들어오는 레이저 광의 세기를 멀티미터의 전압으로 측정한다.
실험 결과와 Malus 법칙을 정량적으로 비교하면, 실험 결과가 I(θ) = I(0) cos^2θ 의 Malus 법칙과 일치함을 확인할 수 있다. 이를 통해 편광된 빛의 특성을 이해할 수 있다.
1.3.2. 광활성도 측정
광활성 실험에서 광활성도를 측정하는 과정은 다음과 같다. 먼저 그림 5와 같이 레이저, 편광자(polarizer), 유리셀, 검광자(analyzer), 스크린을 광학대 위에 동일 축상에서 배열한다. 레이저를 켜고, 유리셀 안에 설탕물이 없을 때 편광자를 회전시켜 스크린에 맺히는 빛의 밝기가 가장 어두울 때(또...
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