본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
굴절률 측정의 실험 목적은 다음과 같다.
첫째, Abbe 굴절계를 이용하여 굴절률을 측정하는 방법을 습득하는 것이다. Abbe 굴절계는 액체나 점성체의 굴절률을 측정하는 광학 기기로, 그 원리와 조작 방법을 이해하는 것이 중요하다. 따라서 이번 실험을 통해 Abbe 굴절계의 작동 원리와 사용 방법을 익히는 것이 주된 목적이다.
둘째, Abbe 굴절계를 이용하여 미지 시료의 농도를 예측하는 것이다. 용액의 농도에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 활용하여, 미지의 시료에 대한 농도를 추정할 수 있다. 이를 통해 굴절률 측정이 농도 분석에 활용될 수 있음을 확인하고자 한다.
즉, 이번 실험에서는 Abbe 굴절계의 원리와 사용 방법을 익히고, 이를 바탕으로 미지 시료의 농도를 예측하는 것을 목적으로 한다.
1.2. 실험 대상
미지의 고분자 시료는 실험의 대상이 되는 물질이다. 구체적인 고분자 시료의 종류나 화학 구조 등은 명시되어 있지 않지만, 실험을 통해 이 미지의 고분자 시료의 굴절률과 밀도를 측정하고 분석하는 것이 실험의 목적이다. 실험자는 Abbe 굴절계를 사용하여 미지 시료의 굴절률을 측정하고, 아르키메데스의 원리를 이용하여 미지 시료의 밀도를 예측하고자 한다. 이를 통해 미지 고분자 시료의 특성을 파악하고, 이 시료에 해당할 것으로 예상되는 범용성 고분자를 제시할 수 있을 것으로 기대된다."
2. 굴절률 이론
2.1. 굴절의 원리
빛은 전기장과 자기장으로 되어 있으며 이들은 상호 직교하고 또한 빛의 진행 방향에 직교한다. 어느 매질에서나 빛의 장과 매질 본자에 수반된 장간의 작용이 있기 때문에 매질에서의 빛의 속도는 진공에서의 것보다 작다. 빛살이 밀도가 작은 매질로부터 큰 매질 쪽으로 지나가면 속도가 줄어든다. 그에 따라서 빛의 방향이 바뀐다. 즉, 표면의 법선 방향에 더 가깝게 굴절한다. 빛살이 공기로부터 액체나 고체로 들어가면 입사각 i가 굴절각 r보다 크다.
2.2. 굴절률의 정의
굴절률은 빛의 파동이 진공 또는 공기 중에서 진행할 때의 속도와 어떤 물질 내에서 진행할 때의 속도의 비로 정의된다"". 즉, 굴절률은 물질마다 고유한 값을 가지며, 진공에서의 빛의 속도를 그 물질 내에서의 빛의 속도로 나눈 값으로 표현된다"". 굴절률은 빛의 입사각과 굴절각의 비, 즉 sin(입사각)/sin(굴절각)으로 나타낼 수 있다"". 이러한 굴절률은 물질의 특성과 밀접한 관계가 있어서 물질의 밀도, 온도, 압력, 조성 등에 따라 변화하는 특성을 보인다"".
2.3. 굴절률에 영향을 미치는 요인
굴절률에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다.
첫째, 온도이다. 매질의 온도 변화는 밀도의 변화를 가져오므로 굴절률에 영향을 준다. 일반적으로 온도가 올라갈수록 분자의 움직임이 활발해져 부피가 커지게 되므로 밀도가 낮아지게 된다. 이에 따라 굴절률도 감소하게 된다. 하지만 물의 경우에는 예외적으로 4°C일 때 가장 밀도가 크므로 이때 굴절률이 가장 작게 된다"
둘째, 파장이다. 투명한 매질의 굴절률은 복사선의 파장이 증가함에 따라 점점 감소한다. 이러한 효과를 정상적인 분산이라고 하며, 이를 고려하여 굴절률을 인용할 때는 반드시 사용한 빛의 파장을 명시해야 한다. 일반적으로 sodium lamp의 D선(598nm)이 가장 흔하게 굴절률 측정에 광원으로 쓰인다"
셋째, 농도이다. 빛은 진공에서 가장 빠르고 그 다음으로 기체, 액체, 고체 순으로 속도가 느려진다. 즉, 고체, 액체, 기체 순으로 굴절률이 증가한다. 이는 매질 내 입자들이 촘촘할수록 빛의 진행이 어려워져 속도가 감소하기 때문이다. 따라서 용액의 농도가 커질수록 용매와 용질 사이의 상호작용이 증가하여 굴절률도 증가하게 된다"
넷째, 압력이다. 압력이 증가하면 매질의 밀도가 증가하므로 굴절률도 증가한다. 하지만 이 효과는 온도나 농도 변화에 비해 상대적으로 작다"
다섯째, 매질의 종류이다. 같은 온도와 압력 조건에서도 매질의 종류에 따라 굴절률이 다르게 나타난다. 일반적으로 고체, 액체, 기체 순으로 굴절률이 증가한다. 이는 매질 내 입자들의 밀도와 배열 형태가 달라 빛의 진행 속도에 차이가 생기기 때문이다.
3. Abbe 굴절계
3.1. Abbe 굴절계의 원리
Abbe 굴절계의 원리는 다음과 같다. 빛의 굴절률을 구할 수 있는 간단한 방법 중 하나인 Abbe 굴절계는 두 개의 직각 프리즘을 마주보게 하여 그 사이에 액체 시료를 놓고 입사광선의 임계각에 해당하는 출사각을 측...
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