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분광기 실험 결과보고서 [현대물리실험 A+]

현대물리실험 결과보고서 (분광기)초록 (Abstract)분광기를 통하여 선스펙트럼이 나타내는 지점을 찾고 그 지점의 각도를 바탕으로 입사각이 일정한 경우 또는 입사각을 변경하는 경우 회절각으로부터 광원의 파장을 알아내는 실험이 되겠다.서론 (Introduction)빛은 거시적으로 파동처럼 행동하기 때문에(수백만 광자에 대해 평균을 낼 때), 회절 격자의 홈이나 선과 같이 규칙적으로 간격을 둔 산란체를 만나면 회절된다. 회절이란,빛의 파장 정도의 크기를 가진 장애물을 만났을 때 광파가 "휘어지는" 것처럼 보인다는 것을 의미한다. 광원에서 나오는 빛은 회절 중심(홈, 선 등)의 원자나 분자를 강제로 진동시켜 여러 방향으로 원래의 빛을 다시 방출한다. 연속적인 회절 중심에서 관찰 지점까지의 경로 길이가 파장의 정수배인 경우 보강 및 상쇄 간섭이 발생하고 밝고 어두운 회절 패턴이 관찰된다. 패턴의 밝은 부분 사이의 간격은 빛의 파장에 따라 달라지므로 예를 들어 더 긴 파장 빛은 회절 격자를 만날 때 더 "휘어지는" 것처럼 보일 것이다. 특정 광원의 빛이 회절 격자를 통과할 때 구부러지는 정도를 측정함으로써 광원에 대한 흥미로운 사실을 알 수 있다. 이 과학 분야를 분광법이라고 한다. 광학 분광계를 사용하면 원자에 의한 빛의 방출과 흡수를 연구할 수 있게 된다.이번 실험은 격자 분광기를 사용하여 수은 및 나트륨의 방출 스펙트럼에서 "선"의 위치를 측정해보는 실험이 되겠다. 이 선은 원자에 있는 전자의 이산 에너지 준위에 해당하며 이 선의 측정은 원자 모델에 대한 이해를 줄 수 있다.이론 (Theory)수은등 외에 다른 등의 선스펙트럼:수소:단순한 스펙트럼을 가진 단순한 원소. 그림에서 나온 3가지 선 말고도 410nm 근처에서 파란색 선을 관찬할 수도 있다.헬리움: 수소보다 약간 더 복잡한 스펙트럼이다, 노란색의 선을 가지고 여러가지 파란색 선을 가졌다.아르곤: 아르곤의 선 스펙트럼에서 나오는 선들이 많고 이 이유로 색깔이 약간 파스텔 색깔로 나온다.수은등의 선 스펙트럼.흡수스펙트럼을 얻는 방법:흡수 스펙트럼을 얻으려면 관심 있는 재료의 샘플에 백색광을 비추면 된다. 백색광은 다양한 파장의 가시광선을 합친 것이라서 흡수 스펙트럼을 볼 수 있게 된다.실험 결과 (Results and Discussion)d(sinα-sinβ)=mλ ->투과 격자의 방정식회절격자 간격 -> D=600 lines/mm = 1.67um나트리움 (Na) 등:0도 지점 = 각도계에서 원점 233도입사각을 고정 시킬때:Diffraction order굴절각지난 위치와 차이파장 (실험)파장 이론 값1253+20571 nm589 nm2275.6+22.6565.2nm589nm-2209.5-23.5574.8nm589nm-1187.5-20565.2nm589nm평균569.05nm3.4% 오차입사각을 변경했을때 233도203도 (-30도)Diffraction order굴절각지난 위치와 차이파장 (실험)파장 이론 값-1175-28581.2nm589 nm122421573.8nm589nm2244+20576.8nm589nm3267+23589.6nm589nm평균580.4nm1.5%오차수은 (Hg) 등:입사각을 0도로 고정시킬때:0도 원점 = 203.5도Diffraction order굴절각지난 위치와 차이파장 (실험)파장 이론 값오차0(청록색)203.5+0도-435nm1(보라색)218+14.5418.1nm405nm3.1%2(초록)222+4529.9nm546nm3.0%3(노랑색)223.5+1.5571.1nm579nm1.4%입사각도를 +30도로 변경했을때:203.5233.5Diffraction order굴절각지난 위치와 차이파장 (실험)파장 이론 값오차-1(청록색)217.5-16도431nm435nm0.9%0(보라색)233.50-405nm-1(초록)214-3.5530.7nm546nm2.8%2(노랑색)212.5-1.5573.8nm579nm0.9%결론 (Conclusion)이번 실험에서는 수은등 또는 나트리움 등에서 나온 빛이 회절격자에 입사하여 나오는 스펙트럼을 확인하고 굴절 각들을 측정해봤다.나트리움 등에서 한가지 색깔의 (주황색) 선들이 나온 반면 수은 등에서 다양한 색깔의 선 스펙트럼이 나오는 것을 확인했다. 결과를 살펴보고 여러 변수들이 결과에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 각 램프의 스펙트럼에서 나타나는 선의 파장을 측정해봄으로써 이론 값과 비교해봤다. 망원경을 통해 선스펙트럼을 관찰하면 선의 차수가 커질수록 선이 약간 희미하게 보이는데, 이의 이유는 복사조도가 약해지기 때문이라고 판단된다. 나트리움 등에서 같은 색의 1, 2, 3차로 회절되는 빛의 파장값이 서로 거의 같다는 것을 확인했다. 실험결과를 분석해보면서 회절 차수가 커질 수록 빛이 회절하는 각도가 커지는 것을 이해했다.실험을 하면서 어쩔수 없는 오차 원인으로 생각했던 것은 굴절각 또는 입사각을 측정할때마다 각도계와 판이 조금씩 움직였다. 그렇다면이 이 것을 방지하기 위해 콜리메이터와 광원을 못움직이게 고정 시킬 수 있었으면 더 정확한 값을 얻을 수 있었을 것이다. 실험 통해 얻은 값과 이론 값을 비교할 때, HBO100수은등과, 나트리움 경우는 임의 값의 파장을 가져와서 실제로 사용한 램프가 뭔지 확인못해서 정확한 이론 값이라고 할 수 없다. 따라서 실험에서 사용했던 각 램프의 방출스펙트럼을 비교하면 정확하게 결과에 대해서 말할 수 있게 될 것이다.참고문헌 (Reference)

자연과학| 2023.01.02| 4페이지| 2,500원| 조회(501)

결과보고서, 물리실험, 현대물리실험, 분광기, 분광기 실험

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분광기 실험 예비보고서 [현대물리실험 A+]

현대물리실험 예비보고서 (분광기)초록 (Abstract)이 실험에서는 분광기에 장착된 회절 격자를 사용하여 원자 스펙트럼을 연구한다. 정확히 말하자면 수은 및 나트륨의 방출 스펙트럼 선을 관찰하고 그 관찰 지점에 측정한 각도를 통해 빛의 파장을 알아내는 실험이 되겠다.서론 (Introduction)빛은 거시적으로 파동처럼 행동하기 때문에(수백만 광자에 대해 평균을 낼 때), 회절 격자의 홈이나 선과 같이 규칙적으로 간격을 둔 산란체를 만나면 회절된다. 회절이란,빛의 파장 정도의 크기를 가진 장애물을 만났을 때 광파가 "휘어지는" 것처럼 보인다는 것을 의미한다. 광원에서 나오는 빛은 회절 중심(홈, 선 등)의 원자나 분자를 강제로 진동시켜 여러 방향으로 원래의 빛을 다시 방출한다. 연속적인 회절 중심에서 관찰 지점까지의 경로 길이가 파장의 정수배인 경우 보강 및 상쇄 간섭이 발생하고 밝고 어두운 회절 패턴이 관찰된다. 패턴의 밝은 부분 사이의 간격은 빛의 파장에 따라 달라지므로 예를 들어 더 긴 파장 빛은 회절 격자를 만날 때 더 "휘어지는" 것처럼 보일 것이다. 특정 광원의 빛이 회절 격자를 통과할 때 구부러지는 정도를 측정함으로써 광원에 대한 흥미로운 사실을 알 수 있다. 이 과학 분야를 분광법이라고 한다. 광학 분광계를 사용하면 원자에 의한 빛의 방출과 흡수를 연구할 수 있게 된다.이번 실험은 격자 분광기를 사용하여 수은 및 나트륨의 방출 스펙트럼에서 "선"의 위치를 측정해보는 실험이 되겠다. 이 선은 원자에 있는 전자의 이산 에너지 준위에 해당하며 이 선의 측정은 원자 모델에 대한 이해를 줄 수 있다.이론 (Theory)평면 격자 방정식 및 기호 규칙입사각 θ i 에서 공간 주기 d의 굴절 투과 격자에 입사하는 파장 λ의 단색광은 다음 (평면) 격자 방정식에 따라 디스크리트한 각도 θm으로 회절될 것이다:n′sinθm−nsinθi=−mλ/d, m=0,±1,±2,±3,여기서 n은 회절면의 입사면에서 매질의 굴절률, n'은 투과된 회절광이 있는 매질의 굴절률, m은 회절 차수라고 하는 정수이다. m의 부호는 임의적이며 회절 차수에 레이블을 지정하기 위한 부호 규칙을 결정한다. 반사 격자에 대한 방정식은 반사 표면에서 광선을 추적할 때와 마찬가지로 n'=−n으로 설정하여 얻을 수 있다:sinθm+sinθi=mλ/nd, m=0,±1,±2,±3.공기 중의 얇은 회절 격자의 경우 n=n'=1이고 두 개의 격자 방정식을 결합하여 다음을 얻을 수 있다:sinθm∓sinθi=∓mλ/d, m=0,±1,±2,±3.여기서 - 기호는 투과 격자를 설명하고 + 기호는 반사 격자를 설명한다(그림 1).이 그림에서 영차수는 직접 투과 또는 정반사된 빔에 해당한다는 점에 유의 해야한다.그림1. 얇은 (a) 투과 격자 및 (b) 반사 격자의 그림.광원우리가 사용하게 될 광원은 가스 방전관이다. 이들은 각 끝에 금속 전극이 있는 유리관으로 구성된다. 튜브에는 다양한 유형의 저압 가스가 들어 있다. 전극 사이에 고전압이 가해지면 기체가 이온화된다.(원자는 전자와 양이온으로 분리됨). 이 하전 입자는 전기장에서 가속되어 원자와 충돌하여 더 높은 에너지 "들뜬 상태"로 변한다. (이 과정을 보는 또 다른 방법은 이온이 원자를 가열하여 더 많은 이온을 생성하고 원자를 여기시키는 전류를 운반한다는 것이다.) 원자가 원래 상태로 돌아갈 때 특정 파장의 광자를 방출한다. 방출되는 파장 세트, 즉 원자의 "스펙트럼"은 원자의 특성이며 원자를 식별하는 데 사용할 수 있다.분광기분광기는 세 가지 기본 요소인 collimator, 회절 격자 및 망원경으로 구성된다. 먼저, 튜브의 빛 중 일부는 collimator에 의해 수집된다.collimator분석할 빛은 콜리메이터 렌즈의 초점에 놓이도록 위치를 조정할 수 있는 좁은 슬릿을 통해 콜리메이터로 들어간다. 따라서 콜리메이터를 떠나는 빛은 평행 빔이어야 하며, 이는 슬릿에서 나오는 모든 빛이 동일한 입사각에서 회절 격자에 닿도록 한다. 이것은 선명한 슬릿 이미지를 형성하려는 경우에 꼭 필요한 조건이다.실험방법 (Experience)(1)실험대에 분광기를 안정되고 평평히 설치한다. 분광기 아래에 높이 조절나사들을 조절하여 분광기가 수평으로 만든다.(2)망원경 및 콜리메이터를 지지하는 지렛대 양쪽에 2 개 조절 나사를 수평이 되도록 조정한다.(3)회전축은 망원경이 분광기에 수직이며, 이를 중심으로 문제없이 회전하기 위해 테이블에 장애물들을 정리한다.4) 먼저 나트리움 광원을 이용했을때 입사각이 0도로 고정된 상태에서 실험한다. 빛을 collimator의 슬릿으로 쏘고 망원경을 돌리면서 선스펙트럼의 위치를 찾고 그 위치에서 투과각을 기록한다. 회절격자 방정식을 풀어서 광원의 파장을 알아낸다.5)나트리움 광원을 이용했을때 입사각을 변화시키면서 선스펙트럼 위치를 망원경을 돌리면서 관찰한다. 그때의 입사각과 투과각을 기록한다. 회절격자 방정식을 풀어서 광원의 파장을 알아낸다.6) 수은 광원을 이용했을때 4) 5) 번 단계를 반복한다.

자연과학| 2023.01.02| 3페이지| 1,500원| 조회(187)

현대물리학, 예비보고서, 현대물리실험, 분광기, 분광기 실험

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밀리컨의 기름방울 실험 예비보고서 [현대물리실험 A+]

현대물리실험 예비보고서 (밀리컨의 기름방울 실험)초록 (Abstract)전자의 전하는 Millikan의 고전적인 기술을 사용하여 측정할 수 있다. 이번에 할 실험의 핵심은 Millikan 기름방울 apparatus를 사용하여 조정 가능한 전기장과 중력장의 결합된 영향으로 기름 방울의 움직임을 관찰하는 것이다. 이번 실험의 주목적은 두개이다. 첫번째, 방울의 궤적을 관찰하면 구에 가해지는 알짜 힘과 그에 따른 알짜 전하를 계산하는 것이며 , 두번째는 전자의 전하가 양자화되었음을 확인하는 것이다.서론 (Introduction)18세기 중반에 최초의 물리학자들이 전기의 일반적인 구조를 조사하기 시작했다. 대부분의 이론은 공간적으로 연속 전하가 있는 모델을 기반으로 하는 이론이었다. 패러데이는 그의 실험에서 불연속적인 기본 전하에 대한 단서를 발견한 최초의 사람 중 하나였으며 몇 년 후 Stoney와 Helmholtz는 마침내 모든 전하가 기본 전하의 양으로 구성된다고 선언했다. 이후에 전 세계의 과학자들은 이 기본 전하의 정확한 값을 구하려고 노력했다.Millikan은 이 전하를 mass-independent 측정을 할 수 있는 장치를 개발했다. 밀리칸 실험에서 나온 중요한 두 결과는 다음과 같다:(1) 전하는 양자화되어 있다. 모든 전하는 고유한 기본 전하 e의 정수배이다.(2) 기본 전하를 측정한 결과 e = 1.60*10^(-19) 쿨롱 값을 갖는 것으로 나타났다.이번 실험에서는 이 두개의 사실을 확인할 것이다.이론 (Theory)고찰사항:기름이 아닌 다른 물질을 이용하여 같은 실험을 할 수 있는가?다른 물질을 사용하기 어렵다. 대부분의 오일은 광원의 열 아래에서 증발하여 실험 전반에 걸쳐 방울의 질량이 변하기 때문에 오일 선택이 중요하다. 진공 응용 분야용 오일은 증기압이 매우 낮기 때문에 좋은 선택이다. 만약 증기압이 높은 물을 사용한다면 빛의 열로 인해 너무 빨리 증발하기 때문에 실험에서 사용하기에 적합하지 않다.밀리컨의 실험 외에 전자의 전하량을 측정하는 방법은 어떤 것이 있을까?최근 단일 전자 장치의 개발은 전자의 전하를 측정하는 새롭고 매우 정밀한 기술을 가능하게 했다. 이러한 장치는 전류-전압(I-V) 특성이 개별 전자 터널링 이벤트에 의해 결정되는 금속/절연체/금속 터널 접합을 기반으로 한다. 이러한 장치를 사용하여 커패시턴스 Cs의 커패시터에 n개의 전자를 배치하고 결과 전압 Vs를 측정하면 전자 전하 e는 이 전압 및 커패시턴스로 결정될 수 있다: ne = VsCsRobert Millikan의 기름 방울 실험은 전자의 전하를 측정했다. 실험은 금속판 위의 챔버에 오일 방울의 미스트를 분사하여 수행되었다. 오일 방울은 노즐을 통해 분사될 때 마찰을 통해 전기적으로 대전되거나 이온화 방사선에 노출되어 대전될 수 있다. 대전된 액적은 평행판 사이의 공간으로 들어간다. 플레이트를 가로질러 전위를 제어하면 물방울이 오르거나 내릴 수 있다.전하량을 구할수 있는 식 유도:방울은 마찰력이 무게와 같아질 때까지 Stokes의 점성 마찰을 가정하여 계산된 종단 속도로 떨어진다:mg = 6πηaVf = cVf (1)여기서 m은 질량, “g”는 중력가속도, η는 viscosity, “a”는 방울의 반경 ,”c" 는 상수 또는 Vf는 떨어지는 속도이다. 전압이 가해지면 전압이 원래 높이로 올라가는 전기력이 나타난다:qE -mg = 6πηaVr = cVr (2)여기서 q는 전하, E는 전기장 그리고 Vr은 terminal rise 속도이다. 마찰에 상수 c를 사용하면 마찰이 무엇이든 상관없이 전하는 Vf + Vr 속도의 합에 비례하게 된다. 1과 2를 결합하면 다음을 얻는다:q = (6πηa/E) (Vf + Vr) = k (Vf + Vr) = c (Vf + Vr)/E여기서 상수 K = c / E는 점도 η, 반경 a 및 전기장 E에 따라 달라진다. Millikan은 공기 분자의 평균 자유 경로 l에 필적하는 크기의 방울에 대해 계산된 유효 점도를 사용할 필요가 있다고 제안했다. 유효 점도 = η / (1 + Al/a) = η / (1 + b/pa)A와 b는 상수이며 p는 대기압이다. 방울의 반지름은 다음과 같다:r = 3 (ηVf/2ρg)1/2실험방법 (Experience)1)현미경의 나사를 돌려서 현미경의 초점을 맞춰준다.2) 스포이드를 연결해서 기름을 분사한다.3)파워서플라이를 300볼트까지 올린다.4)Conversion 스위치를 플러스나 마이너스로 돌려서 기름 방울을 관찰한다.5)기름 방울이 확인됐으면 벨브를 open에서 close로 닫는다6)현미경을 보며 conversion 다이얼을 돌리면서 기름 방울의 위 아래 속도를 측정한다.7)기름 방울의 전하량을 측정한다.참고문헌 (Reference)

자연과학| 2023.01.02| 3페이지| 2,000원| 조회(188)

기름방울, 예비보고서, 현대물리실험, 밀리컨, 밀리컨의 기름방울

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전자 스핀 공명 실험 예비보고서 [현대물리실험 A+]

현대물리실험 예비보고서 (전자 스핀 공명)초록 (Abstract)이번 실험 전자 스핀 공명을(Electron Spin Resonance – ESR) 사용해서 물리학에서 가장 잘 알려진 양 중 하나인 전자의 유명한 g factor를 찾아내는 실험이 되겠다. 정확히 말하자면 자기장에 노출된 자유(짝을 이루지 않은) 전자의 "스핀-플립(spin-flip)" 전이를 관찰함으로써 실험의 목적을 이룰 것이다.서론 (Introduction)자기공명이라 함은 전자,원자핵등이 지닌 자기모멘트에 자기장을 가해 에너지를 분리하고, 에너지차이의 전자기파를 입사시켜 공명흡수를 발생시키는 현상이다. 그중 간단한 경우인 전자 스핀 공명(electron spin resonance – 앞글자를 줄여 ESR). 또한, 이것은 전자스핀에 의한 자기모멘트 및 전자의 궤도운 동에 의한 자기 모멘트의 효과로 구분된다. 가장 간단한 경우는 스핀에 의한 자기 모멘트만 있는 경우이다. 전자 스핀에 의한 자기모멘트는자기장을 변화시키는 것이 아니라 주파수를 변화시키면서 각 주파수에 공명하는 코일에 흐르는 전류 즉, 전류로 인해 발생하는 자기장을 측정함으로서 g 값을 결정하고자 했다.이론 (Theory)전자 스핀 공명(ESR)은 물리학, 화학, 생물학 및 의학에서 결정 구조 및 분자, 화학반응 및 기타 문제를 조사할 수 있는 중요한 방법으로 발전했다. ESR은 전자의 스핀 상태가 분리되는 외부 자기장에서 상자성 물질에 의한 고주파 복사의 흡수를 기반으로 한다. 전자 스핀 공명은 상자성 물질로 제한되는데, 상자성 물질에서는 전자의 궤도 각운동량과 스핀이 총 각운동량이 0과 안 같게 결합되기 때문이다. 총 각운동량 J와 관련된 자기 모멘트는 다음과 같이 주어진다:h-플랑크 상수 , gj: Lande 인자me:전자의 질량, e:전자의 전하자기 모멘트 m0는 자기장 B0에서 다음과 같은 포텐셜 에너지를 가진다:자기 모멘트와 총 각운동량은 자기장에 대해 discrete(이산) 방향만 취할 수 있기 때문에 E는 양자화된다. 각운동량의 각 방향은 자기장에서 특정 포텐셜 에너지를 갖는 상태에 해당한다. 자기장에 평행한 총 각운동량의 성분 Jz는 다음과 같이 주어진다.여기서 각운동량 양자수는 정수 또는 반정수이다. 즉,포텐셜 에너지는 discrete한 Zeeman 레벨로 나뉘진다.에너지 분리는 전자 스핀 공명을 통해 직접 측정할 수 있다. 이를 위해 거는 고주파 교류 자기장은 다음과 같다:이 자기장은 B0와 수직 방향을 갖는다. 에너지 h × v가 이 두 에너지 준위 사이의 에너지 차이 DE와 같으면, 즉 조건이 다은과 같다면:교류장은 자기장 B0의 한 방향에서 다른 방향으로 자기 모멘트의 "반전"으로 이어진다. 즉, 인접한 레벨 사이의 전이가 발생하고 샘플에 복사되는 교류 자기장의 에너지 흡수에서 나타나는 공명 효과가 관찰된다.그림 2 전자스핀 공명이 일어나기 위한 조건DPPH :실험에서 사용될 샘플 물질은 1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazyl (짧게 써서 DPPH) 이다. 이 유기 화합물은짝을 이루지 않은 전자를 가진 샘플이며 분자가 고도로 비편재화된 궤도에서 움직이기 때문에 자기 모멘트에 대한 궤도 기여도는 무시할 수 있다. 전자는 자유 전자이기 때문에 스핀만이 자기 모멘트에 기여한다고 생각 할 수 있다.실험방법 (Experience)Helmholtz 코일을 서로 평행한 상태로 6.8센치 간격으로 놓는다.코일을 서로 연결한다.ESR의 basic unit을 콘트롤과 연결한다ESR 시그널 아웃풋을 y축과 x축에 연결한다.DPPH 샘플이 코일 두개 가운데에 있는 상태에서 공명 주파수를 15MHz로 설정한다.- 진폭 I~를 중간으로 설정한다.- 위상차를 오른쪽으로 설정- 오실로스코프를 XY 작동으로 전환하고 두 개의 공진 신호가 일치하도록 위상차를 설정한다공진 신호가 대칭이 될때 까지 직류 I를 변경한다.이때 디시 전류를 적고 대응하는 주파수도 적는다공명 주파수를 5MHz로 증가시키면서 전류를 증가시켜서 새로운 공명 조건을 수정한다. 그리고 똑같이 전류 값을 읽는다똑같이 5 MHz 씩 올리면서 30-75MHZ 주파수를 실험한다그리고 다른 플러그인 코일을 붙여서 75-130주파수에 해당되는 측정을 해본다.

자연과학| 2023.01.02| 3페이지| 1,500원| 조회(237)

물리학, 예비보고서, 현대물리실험, 전자 스핀 공명, 전자 스핀 공명 실험

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양자지우개 실험 결과보고서 [현대물리실험 A+]

현대물리실험 결과보고서 (양자지우개)초록 (Abstract)이번 실험은 파동-입자 이중성을 살펴보았다. Mach Zehnder 간섭계를 개설해서 입자의 파동성을 확인했다. 간섭을 일으켜 시간이 지남에 따라 패턴을 점차적으로 관찰하면서 빛의 파동이 실제로 자기 자신과 간섭할 수 있음을 보여주었다. 우리가 관찰한 간섭 패턴은 빛이 입자와 파동으로 행동할 수 있다는 직접적인 증거를 찾았다. 또한 빛의 경로에 대한 정보가 있고 없고에 따라서 입자 및 파동 성이 결정되는 것을 관찰했다. 파동성을 확인하면 빛의 경로에 대한 정보를 잃고 경로를 알면 간섭을 관찰하지 못하는 것으로 불확정성 원리를 확인했다.서론 (Introduction)빛이 파동이냐 입자냐라는 질문은 지금부터 수백년을 거슬러 왔다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton)과 동시대 사람인 크리스티안 호이겐스(Christian Huygens)는 빛이 파동으로 이동한다고 제안했다. 한편 아이작 뉴턴은 빛이 너무 작아서 개별적으로 감지할 수 없는 입자로 구성되어 있다고 생각했다. 1801년 영국의 물리학자 토머스 영은 빛이 파동처럼 행동한다는 것을 보여주는 이중 슬릿 실험을 했다. 고전적인 슬릿 실험에서는 단일 입자를 방출하는 소스를 사용하면 간섭 패턴이 나타난다. 결과적으로 이 패턴은 동일한 입자가 여러번 방출돼서 만들어진다.이번 실험에서 Mach-Zehnder 간섭계를 개설해볼 것이다. Mach-Zehnder 간섭계를 통해서 빛의 파동 특성을 확인하고 이를 이용하여 간섭의 다양한 측면을 관찰해보려고 한다. 우리가 직접 빛의 간섭을 관찰하고 간섭이 사라지고 궁극적으로 회복될 수 있는 조건을 보려고 한다. 우리는 단일 광자를 사용하지 않으므로 단일 광자 간섭의 양자적인 행동을 실제로 관찰할 수는 없지만 실험은 여전히 빛의 이중성, 빛의 간섭, 불확적성원리, 지연된 선택등에 대한 기본 아이디어를 준다.이론 (Theory)이중 슬릿 실험:그림 SEQ Рисунок * ARABIC 1 간섭 문의 Hyperlink "ht중 슬릿 실험은 두 개의 슬릿이 있는 벽에 빛을 비추는 실험이다.이때 슬릿 사이의 거리가 빛의 파장과 거의 같으며 방출하는 빛은 monochromatic light (단일 색상, 즉 단일 파장을 가진 빛)이어야 한다. 그림 1에 빛의 파동과 벽이 나타나 있다. 파란색 선은 파동의 정점을 표시한다. 파동이 두 슬릿을 통과할 때 두 개의 새로운 파동으로 나뉘며 각각은 슬릿 중 하나에서 퍼진다. 이 두 파동은 서로 간섭한다. 정점이 저점과 만나는 일부 지점에서 서로 상쇄되고 정점과 정점이 만나는 다른 지점(다이어그램에서 파란색 곡선이 교차하는 지점)에서는 서로를 보강한다. 파도동이 서로 보강하는 곳은 가장 밝은 무늬가 있는 부분이다. 빛이 벽을 통과하여 벽 뒤에 있는 스크린과 만나면 간섭 패턴이라고 하는 줄무늬 패턴이 생긴다.Mach-Zehnder 간섭계 (MZI)그림 2. Mach Zehnder 간섭계의 도표광자 빔은 미러에서 반사된 다음 두 파동의 상대적 위상에 따라 두 번째 빔 스플리터에서 간섭(파동의 행동을 보임)한다. 간섭계는 디덱터 A나 B 한개의 디덱터에서만 간섭이 발행하게 배열할 수 있다.불확정성 원리하이젠베르크의 불확정성 원리는 입자의 변수를 측정하는 행위에 고유한 불확실성이 있다고 말한다. 일반적으로 불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량에 적용된다. 위치를 정확하게 알면 알수록 운동량이 불확실하고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이것은 입자의 모든 특성이 적절한 장비만 있다면 정확하게 측정 가능하다고 주장하는 고전적인 뉴턴 물리학에 반대된다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 과학자가 여러 양자 변수를 동시에 측정할 수 없는 이유를 제공하는 원리이다.양자 지우개 실험양자 지우개 실험은 그림 3 에서 보듯이 먼저 레이저에서 빛을 쏴서 빛이 이중 슬릿으로 간다. 슬릿 바로 뒤에는 광자를 둘로 나누는 크리스탈이 있다. 이 크리스탈은 얽힌 광자의 쌍을 (entangled pair) 만든다. 광자의 얽힌 쌍은 서로 속성이 완벽하게 상호관계 있는 두 입자를 말한오는 광자는 크리스탈 오른쪽으로 이동하여 스크린으로 도달한다. 그들의 쌍은 A와 B 디덱터로 이동한다. 그리고 A디덱터가 A슬릿에서 온 광자를 감지하고 B슬릿에서 나온 광자를 B디덱터가 감지한다. 그러면 이제 광자가 어떤 슬릿을 통과했는지에 대한 방향 정보가 있다. 따라서 간섭 패턴이 안 생긴다. 이 것은 마치 광자가 시간을 거슬러서 자신의 «쌍둥이» 광자에게 «나는 어디서 왔는지 감지됐다. 너 간섭패턴을 만들면 안되겠다.» 라고 전달하는 것 같다. 이 부분은 결론에서 논의하도록 한다. 여기서 그림 4와 같이 A와 B 디덱터 뒤에 양자지우개를 넣어본다. 양자지우개는 3개의 거울과 C,D 디덱터로 구성되었다. 이제 A에서 오는 광자가 C디덱터로 반사되거나 거울을 통과해서 D디덱터로 갈 수도 있다. 마찬가지로 B에서 오는 광자가 D로 반사하거나 거울을 통과해서 C로 갈 수도 있다. 따라서 광자가 어디서 왔는지에 대한 정보가 완전히 지워진다. 그러면 간섭패턴이 다시 생긴다.실험 결과 (Results and Discussion)Mach Zehnder 간섭계제일 먼저 구성한 실험 세팅은 레이저,빔스플리터 1,2 (그림5에서 BS1,BS2로 표시), 거울 두개, 편광자 1,2 그리고 스크린 1,2 였다. (3번 편광자 없이 진행했다. 이때 편광자의 편광이 서로 같으며 둘다 0도로 설정했다. 이 세팅의 구조는 자세히 그림2에서 볼 수 있다. 레이저가 빛은 내면서 빛이 빔스플리터에서 두개로 나뉘진다. 이 경우에 빔스필리터가 50퍼센트 reflector가 된다. 첫번째 빔은 거울을 통해서 편광자 1로 이동하고 두번째 빔은 편광자 2로이동한다. 이때 거울은 100퍼센트 reflector이다. 결국 첫번째 빔과 두번째 빔이 빔스플리터2에 도달한다. 빛이 빔스플리터 2를통해 스크린 1과 스크린2에 부딫친다. 이때 스크린 둘다 간섭 무늬가 나타나게 된다.그 다음으로 똑같은 세팅에서 1번 편광자를 90도 편광을 갖게 한다. 2번 편광자는 여전히 0도 편광을 갖는다. 이때가 두개 편광자 간섭 패턴이 안 나타나는 것을 확인했다.제일 마지막으로 편광자3을 스크린 1 앞에서 두었다. 편광자 1과 2가 여전히 서로 수직 방향이다. 이 세팅은 정확히 그림 5에서 볼 수 있다. 이때 3번 편광자를 45도로 설정했다. 그러면 두가지 빔이 3번 편광자를 지날때 다시 구별이 불가능하게 된다. 결국 1번 스크린에서 간섭 패턴이 나타났으며 2번 스크린에는 간섭 패턴이 없었다.그림 6 실험에서 확인한 간섭 패턴1,2편광판이 서로 같은 방향의 편광을 가질때 또는 45도로 설정된 편광판을 둘때 우리는 명확한 간섭 패턴을 관찰했다(그림 6). 하지만 45도로 된 편광판이 없을 때 또는 1,2 편광판이 서로 방향이 다를때 간섭 패턴이 없었다.이 것은 광자의 경로에 대한 정보가 편광 상태로 인코딩됐기 때문이다. 우리가 광자의 편광을 알면 광자의 경로를 알게 된다. 45도 편광이 있을때, 또는 서로 편광이 같을 때 – 이때 경로에 대한 정보가 사라진다. 그 반대인 경우에는 우리가 광자의 위치 정보를 알게 된다. 따라서 각 광자는 한 경로 또는 다른 경로를 선택해야 하므로 파동으로서 자기 자신과 간섭할 수 없게 된다. 하지만 위치 정보가 없을때 각 광자가 파동처럼 두 경로를 따라 자유롭게 이동할 수 있음을 직접 확인했다.Mach-Zehnder 간섭계 실험과 양자지우개 실험 비교Mach- Zehnder 실험에서는 편광자가 디덱터 역할을 한다고 보면 된다. 그림 3-4와 그림 5를 비교해서 보면 편광자 1,2가 디덱터 A와 B와 유사하고, 양자지우개 역할은 45도로 된 편광자 3이 하게 된다. Mach-Zehnder 실험에서 빛을 두개의 빔으로 나누기 위해서 사용하는 빔 스플리터의 역할은 양자지우개 실험에 크리스탈이 한다.양자지우개 실험 논의양자지우개 실험은 «delayed choice” 실험이라고 부르기도 한다. 이런 이름을 가진 이유는 우리가 양자지우개를 충분히 멀리 두면 정보를 지울지 말지라는 선택이 광자가 스크린에 도달하고 한참 후에 일어나기 때문이다. 이론에서 언급했듯그렇게 생각하는 순간 디덱터쪽으로 가는 광자가 쌍 광자에게 정보를 알려주기 위해서 빛의 속도를 넘어야 한다는 뜻이 되며 이 것은 확실히 불가능하다. 대신 이렇개 생각할 수 있다. 만약 A, B 디덱터를 다 끄고 C와 D만 켜놓고 광자의 행동을 감지한다. C와 D가 서로 다른 결과를 보여주긴 하지만 둘다 광자가 파동처럼 행동한다는 것을 보여준다. 제일 처음으로 했던 실험에서 A와 B 디덱터만 켜진 상태에서 광자 특성을 보면 입자처럼 행동한다. 하지만 C와 D 다덱터 켜져있을때 각각 스크린에서 보여주는 간섭 패턴을 서로 합치면 디덱터 A와 B가 보여주는 패턴과 같을 거라고 볼 수 있다. 이런 생각 바탕으로 실제로 양자지우개 실험에서 하는 것은 두 광자 쌍을 두개의 그룹으로 나누는 것이다. 그리고 이 것을 두가지 방식으로 한다. A 와 B 디덱터를 쓰면 스크린에 있는 얽힌 쌍 (entangled pair)이 각 디덱터에 대해서 별도로 간섭 패턴을 만들지 못하게 광자를 나눈다. 그리고 C와 D를 따로 따로 봤을때 각자가 간섭 패턴을 만들지만 둘이 같이 만드는 패턴을 보면 간섭이 없다. (그냥 두개의 무늬가 합쳐져 있다고 보면 된다. 그림 9). 어떤 입자가 속한 그룹을 알기 위해서는 측정 데이터가 필요하기 때문에 이 역설을 피할 수 있다. 우리는 광자 측정을 마친 후로만 입자를 그룹으로 나누는 방법을 알 수 있기 때문에 측정하기 전에는 간섭을 관찰할 수 없다.결론 (Conclusion)빛의 간섭을 관찰해서 빛의 파동성을 확인했다. 그리고 파동성이 실제로 빛의 비국소적 존재를 보여주는 것을 보았다. 이 말은 빛을 모든 공간에 퍼지는 «양자장»으로 볼 수 있다는것을 의미한다. 마지막으로 광자의 파동성과 위치를 동시에 정확히 알 수 없음을 알았고 불확정성 원리를 확인했다. Mach-Zehnder 간섭계 실험에서 제일 어려운 것이 장치를 얼라인 시키는 것이었던 것 같다. 얼라인을 조금이라도 잘못 하면 간섭 패턴이 안 나오므로 항상 조심해야 된다. 또한 양자지우개 실험을 분석.

자연과학| 2023.01.02| 4페이지| 2,500원| 조회(293)

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