뉴턴 링을 이용한 단색광 파장 측정 실험

본 내용은 " 금오공과대학교 일반물리학실험2 뉴턴 링 예비, 결과보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.11.14

문서 내 토픽

• 1. 뉴턴 링 간섭 현상

  평면 유리판 위에 곡률반경이 큰 볼록렌즈를 올려놓으면 렌즈의 곡면과 유리면 사이에 얇은 공기층이 생긴다. 여기에 단색광을 수직으로 입사시키면 렌즈의 구면에서 반사한 빛과 유리판 표면에서 반사한 빛이 간섭을 일으켜 둥근 간섭무늬가 나타난다. 이는 두 광선의 경로차에서 생기는 현상으로, 어두운 원무늬의 반경과 무늬의 차수를 측정하면 렌즈의 곡률반경을 구할 수 있다.

• 2. 광로차와 위상 변화

  평면 유리판의 표면에서 반사되는 빛은 밀도가 작은 매질에서 큰 매질로의 경계면 반사이므로 위상이 π만큼 바뀌며 광로차는 λ/2만큼 길어진다. 공기층을 통과하여 평면 유리판에서 반사된 빛과 렌즈의 구면에서 반사된 빛 사이의 광로차는 2d+λ/2가 되며, m번째 어두운 원무늬의 반경 r_m과 빛의 파장 사이에는 r_m²≈mRλ의 관계식이 성립한다.

• 3. 곡률반경 측정 방법

  현미경의 십자선을 임의의 어두운 원무늬에 맞추고 눈금을 읽은 후, 왼쪽과 오른쪽으로 n번째 어두운 원무늬의 위치를 각각 기록한다. 렌즈의 곡률반경 R은 R=[(a'_{m+n}-a_{m+n})²-(a'_m-a_m)²]/(4nλ) 공식으로 구할 수 있으며, 여러 고리에 대해 반복 측정하여 평균값을 구한다.

• 4. 실험 오차 분석

  빨간색 빛(640nm) 실험에서 717.37mm, 주황색 빛(585nm) 실험에서 487.22mm의 곡률반경을 얻었으며, 이론값 500mm와 비교하여 각각 43%, 2.6%의 오차율을 보였다. 오차 원인으로는 렌즈와 유리판 사이의 먼지로 인한 유격, 현미경 눈금 판독 오류, 십자선 정렬 부정확성 등이 있으며, 이물질 제거와 반복측정으로 개선 가능하다.

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• 1. 뉴턴 링 간섭 현상

  뉴턴 링은 광학 간섭의 가장 우아한 예시 중 하나입니다. 평면 유리판 위에 곡률을 가진 렌즈를 놓았을 때 나타나는 동심원 무늬는 빛의 파동성을 직관적으로 보여줍니다. 이 현상은 두 표면 사이의 공기층 두께 변화에 따른 광로차 때문에 발생하며, 밝은 무늬와 어두운 무늬의 규칙적인 패턴은 파장의 정수배 관계를 명확히 드러냅니다. 실험적으로 접근하기 쉽고 이론적으로도 명확하여 광학 교육에서 매우 중요한 주제입니다.

• 2. 광로차와 위상 변화

  광로차는 간섭 현상을 이해하는 핵심 개념입니다. 두 광선이 서로 다른 경로를 통해 만날 때, 실제 거리뿐만 아니라 매질의 굴절률도 고려해야 하는 광로차의 개념은 간섭 조건을 정량적으로 분석하게 해줍니다. 위상 변화는 광로차에 직접 연결되어 있으며, 건설적 간섭과 소멸적 간섭의 조건을 결정합니다. 특히 반사 시 발생하는 위상 변화(π)는 뉴턴 링 패턴 해석에서 필수적인 요소로, 이를 정확히 이해하는 것이 실험 결과 해석의 정확성을 크게 향상시킵니다.

• 3. 곡률반경 측정 방법

  뉴턴 링 실험에서 렌즈의 곡률반경을 측정하는 방법은 간섭 무늬의 반지름과 간섭 차수의 관계식을 이용합니다. 현미경으로 관찰한 밝은 무늬나 어두운 무늬의 반지름을 정확히 측정하고, 이를 파장과 간섭 차수와 연결하면 곡률반경을 계산할 수 있습니다. 이 방법은 직접 측정이 어려운 곡률반경을 간접적으로 정확하게 구할 수 있는 장점이 있습니다. 다만 여러 무늬의 반지름을 측정하여 평균값을 구하는 것이 측정 오차를 줄이는 데 효과적입니다.

• 4. 실험 오차 분석

  뉴턴 링 실험의 오차는 여러 원인에서 비롯됩니다. 현미경 초점 조정 시 정확성 부족, 무늬 반지름 측정의 부정확성, 렌즈와 유리판 사이의 먼지나 불완전한 접촉, 그리고 사용된 빛의 파장 값의 오차 등이 주요 요인입니다. 체계적 오차를 최소화하기 위해 여러 무늬를 측정하고 통계 처리하는 것이 중요합니다. 또한 실험 장치의 안정성 확보, 정확한 파장 값 사용, 그리고 측정 과정의 반복을 통해 오차를 효과적으로 관리할 수 있습니다.