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1. 마이켈슨 간섭계
1.1. 실험 목적
Michelson 간섭계의 실험 목적은 두 가지이다. 첫째, Michelson 간섭계의 원리를 이해하고, 이를 이용하여 여러 가지 광원으로부터 나오는 빛으로 간섭무늬를 만들어 보는 것이다. 둘째, 간섭무늬가 보이는 광경로차로부터 광원의 결맞음성(coherence)을 측정하고, 광원의 선폭과 비교해 보는 것이다. 즉, Michelson 간섭계를 활용하여 빛의 간섭 현상을 관찰하고, 광원의 특성을 분석하는 것이 이 실험의 주된 목적이라고 할 수 있다.
1.2. 실험 이론 및 원리
전자기파의 이론의 발달로 19세기 중엽에는 빛의 본성이 파동이라는 것이 거의 확실해졌다. 그러나 우리가 주위에서 볼 수 있는 파동들은 일반적으로 그것이 전파될 수 있는 매질을 필요로 한다. 그러나 빛이라는 파동을 실어 나르는 매질이 무엇인지에 대한 규명이 되지 않았기에 19세기 후반의 물리학자들은 고민에 휩싸이게 되었다. 실체를 붙잡을 수 없는 이것을 에테르라고 일컫고 그 존재를 확인하기 위한 여러 종류의 실험이 이루어졌다. 그 중 대표적인 것이 마이켈슨과 몰리에 의한 상대운동을 하는 에테르에서의 빛의 속도변화 관측 실험이다. 하지만 많은 기대에도 불구하고 빛의 속도 변화는 관측되지 않았고, 이 결과는 뒤이은 아인슈타인이 특수상대성이론과 일치 하는 결과이다. 이 실험에서 사용된 장치는 마이켈슨 간섭계라 하여 거리를 빛의 파장 정도의 정밀도로 측정한다든지, 또는 물질 속에서의 빛의 속도변화를 관측하여 물질의 굴절률을 측정하거나, 여러 가지 다른 물리량들을 정확하게 측정하는데 널리 사용되고 있다."
마이켈슨 간섭계는 한 점광원을 반은 도금된 거울을 통하여 둘로 나누어 위치 차이가 나게 하여 다시 만나게 하는 구조로 되어 있다. 이렇게 하는 이유는 이것이 서로 간섭성이 있는 두 빛을 만들어 내는 간단한 방법의 하나이기 때문이다. 실험에 사용하는 광원을 나트륨등처럼 공간간섭성이 없는 빛이 넓은 면을 통하여 방출되는 것을 사용한다면, 거울 1과 2를 거의 같은 거리로 하여 두 개가 수직에서 미세한 각을 벗어나게 해둔다. 그리고 반은 거울을 통하여 들여다보면 거울 두 개에 의한 광원의 두 상이 거의 겹쳐 보인다. 그러나 광원의 두 상은 원래 같은 지점에서 나온 것이기 때문에 간섭성이 있어서, 그 거리차이가 파장의 정수배가 되면 밝게 보이고 파장의 1/2, 3/2, 5/2등의 차이가 되면 어둡게 보인다. 표면의 각 지점의 거리 차이가 각각 다르기 때문에 밝고 어두운 것들이 얼룩이 져서 간섭 무늬가 나타나는 것이다. 광원의 표면과 각 거울들이 평범하다면 그 무늬는 보통 띠의 형태를 하게 된다. 겨울 1이나 2중 하나를 앞으로 이동시키면 그 거울에 의한 광원의 허상이 이동하여 띠무늬는 한쪽으로 흐를 것이다. 만일에 한 광로에서 빛의 속도가 늦어진다면 역시 무늬는 이동을 하는데 마이켈슨은 이 원리를 이용하여 에테르의 존재를 규명하고자 시도하였다."
1.3. 실험 기구 및 장치
마이켈슨 간섭계 실험에 사용되는 기구 및 장치는 다음과 같다.
마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)는 크게 거울 2개, 빔 스플리터(Beam Splitter), 보상판(Compensator), 마이크로미터로 구성된다. 거울 M1과 M2는 빛을 반사시키는 역할을 하며, 빔 스플리터에서 분할된 두 광선이 다시 만나 간섭을 일으키도록 한다. 보상판은 광경로차와 상의 깊이 사이의 차이를 보정하기 위해 사용된다. 마이크로미터는 거울 M1의 위치를 정밀하게 조절할 수 있도록 하여, 광경로차 변화에 따른 간섭무늬의 이동을 관찰할 수 있게 한다.
광원으로는 He-Ne 레이저, 반도체 레이저, Na 램프, 백열등 등이 사용된다. 레이저는 단색성과 간섭성이 우수하여 간섭무늬 관찰에 적합하다. Na 램프는 나트륨 원자의 전자 전이에 해당하는 파장을 방출하는 광원이다. 백열등은 연속 스펙트럼을 가지는 광원으로, 상대적으로 간섭성이 낮아 간섭무늬 관찰이 어렵다.
간섭무늬 관찰을 위해 스크린이 사용된다. 스크린 위에 맺히는 간섭무늬를 관찰하고 사진 촬영을 할 수 있다. 또한 유리판(현미경 커버글라스)과 디지털 카메라(또는 스마트폰 카메라)를 이용하여 간섭무늬를 기록할 수 있다.
필터로는 대역투과 필터(Band-Pass Filter)와 장파장투과 필터(Long-Pass Filter)가 사용된다. 이를 통해 광원의 스펙트럼 특성을 조...
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