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1. 실험 C. Spectrometer
실험 C. Spectrometer는 여러 광원에 대하여 스펙트럼선을 관찰하고 색깔별 파장을 구하는 실험이다. 이를 위해 emission (bright line) spectrum과 absorption (dark line) spectrum을 관찰하고, 모델 SP-9268A spectrometer를 활용한다.
실험 목적은 여러 광원에 대하여 스펙트럼선을 관찰하고 색깔별 파장을 구하는 것이다. 또한 연속적인 스펙트럼선을 가지고 있는 광원(태양광 등)을 이용하여 여러 물질(액체 샘플)에 대한 흡수 스펙트럼선(dark line)을 관찰하는 것이다.
이론적으로, emission (bright line) spectrum은 필라멘트와 같이 백열의 빛은 파장에 대하여 연속적인 스펙트럼선을 갖지만, single element gas(H2, He, Ar, H2O 등)에 의해 나온 빛은 불연속적인 스펙트럼선을 갖는다. 이때 그 스펙트럼선의 패턴은 그 기체의 고유한 성질이 된다. 격자(Grating)를 통과하면서 회절이 일어나 각 파장별로 다른 각도로 회절되어 스펙트럼선이 관찰된다.
absorption (dark line) spectrum은 연속적인 스펙트럼선을 가지고 있는 빛의 경로에 물질을 놓으면 물질이 특정 파장의 빛들을 흡수하여 흡수선(dark line)이 생기는 현상을 이용한다.
Model SP-9268A spectrometer는 프리즘이나 회절격자를 이용하여 빔을 구부리고 각 색깔별로 휘어진 빛의 각도를 측정하여 스펙트럼선을 관찰한다. 이를 통해 물질별로 방사하는 빛의 스펙트럼선에 대한 정보를 얻을 수 있다.
실험에 필요한 장비로는 Educational spectrometer, Spectrophotometer Base, Degree Plate with Light Sensor Arm, Grating Mount, Grating (~600 lines per mm), Focusing Lens, Collimating Lens, Collimating Slits, Cuvettes, Rod Stand Mounting Brackets, Optics Bench, Rotary Motion Sensor, High Sensitivity Light Sensor, Aperture Bracket과 Student spectrometer인 Model SP-9268A, Eyepiece, Diffraction grating and Mounting clamp, Prism and Mounting clamp 등이 사용된다.
실험결과, emission (bright line) spectrum에서는 H2, He, Ar 기체에 대해 각각 스펙트럼선의 파장과 색깔을 관찰하였다. H2의 경우 수소기체에 대한 스펙트럼선 데이터가 없어 분석이 어려웠지만, He의 경우 실험데이터와 문헌상의 데이터가 잘 일치하는 것을 확인하였다. Ar의 경우 대부분의 스펙트럼선이 적외선 영역에 있어 육안으로 관찰되지 않았다.
absorption (dark line) spectrum에서는 핸드폰 후레쉬, 물, 주방세제 등의 샘플에 대해 관찰하였다. 핸드폰 후레쉬의 경우 455~485nm 영역에서 연속성이 부족했으며, 물은 515nm~625nm 파장의 빛을 잘 흡수하는 것을 확인하였다. 주방세제는 415~475nm와 530~640nm 영역의 빛을 잘 흡수하여 초록색으로 보이는 것을 알 수 있었다.
Model SP-9268A spectrometer를 사용한 실험에서는 백열전구 빛의 스펙트럼을 측정하여 각 색상 영역의 파장을 구하였다. 또한 프리즘을 이용하여 백열전구 빨간색 영역의 굴절률을 2.01로 계산하였다.
1.1. 실험 목적
여러 광원에 대하여 스펙트럼선을 관찰하고 색깔별 파장을 구하는 것이 이 실험의 목적이다. 또한 연속적인 스펙트럼선을 가지고 있는 광원(태양광 등)을 이용하여 여러 물질(액체 샘플)에 대한 흡수스펙트럼선(Dark line)을 관찰하는 것도 이 실험의 목적이다.
1.2. 이론
1.2.1. Emission (bright line) spectrum
필라멘트와 같이 백열의 빛은 파장에 대하여 연속적인 스펙트럼선을 갖는다. 반면에 Single Element Gas(H2, He, Ar, H2O 등)에 의해 나온 빛은 불연속적인 스펙트럼선을 갖는다. 이때 그 스펙트럼선의 패턴은 그 기체의 고유한 성질이 된다.
격자(Grating)는 동일한 간격으로 아주 많은 줄이 쳐진 투명한 판이다. 라인과 라인 사이는 격자의 간격 d를 의미한다. 빛은 이 격자(Grating)를 지나면서 회절이 일어난다. 회절 된 빛의 경로와 원래 빛의 경로를 그림 1.1에서 비교해 볼 수 있다. 인접한 라인에 의해 회절 된 빛들은 같은 위상을 갖고 상이 맺힐 것이다.
광선의 경로의 길이와 파장들의 합이 다르면 인접한 광선은 in phase한 위상이 된다. 상이 맺히는 첫 번째 공간(first order)에서 경로의 길이와 인접한 두 개의 광선의 차이는 한 개의 파장(lambda)이 된다. 또한 두 광선이 격자에 의해 회절 될 때, 인접한 두 광선은 격자 라인사이의 공간(d), 각도(theta)에 의존한다. 파장(lambda), 공간(d), 각도(theta)는 다음과 같은 연관이 있다.
lambda = d sin theta
스펙트로미터는 광원에 의한 스펙트럼선을 관찰하고 측정할 수 있게 해준다. 회절격자는 광원에서 나온 광선을 분산시켜서 여러 각도에 따라 색깔별로 스펙트럼선을 만든다. 그런데 광원에서 나온 모든 광선은 평행하지 않다. 따라서 Collimating Lens를 이용하여 광선들을 평행하게 만들어주고 다시 Collimating Lens로 빛을 모아주어 Light Sensor에 빛이 닿게끔 해주어야 한다. 각 색깔별로 측정된 각도와 회절격자의 간격(d)을 ...
