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현대물리실험 분광기의 원리 예비보고서

예비보고서 8주차▶ 과 목 :현대물리실험▶ 학 과 :물리학과▶ 학 번 :201700933▶ 이 름 :송유진▶ 제 출 일 :2020. 05. 08.1. 실험 제목- 분광기의 원리2. 실험 목적- 회절격자 분광기(diffraction grating spectrometer)를 이용하여 기체 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼(spectrum)을 관측하고 각 휘선의 파장을 구한다.- 측정으로부터 빛의 파동성을 이해하고 파동의 대표적인 현상인 간섭효과를 관찰할 수 있다.- 여러 가지의 광원에서 나오는 빛이 포함하고 있는 성분들을 파장별로 분간하여 빛 이 발생하는 원리를 이해한다.3. 실험 이론- 파동적인 입장에서는 빛이 가지고 있는 파장에 따라 빛을 구분하여 파장이 긴 쪽 으로부터 장파, 중파, 단파, .., 적외선, 가시광선, 자외선, X-선, γ-선이라 한다. 이중 우리가 통상적으로 빛이라 하는 것은 우리 눈으로 감지할 수 있는 가시광선 을 보통 이야기 한다.가시광선은 300nm∼700nm의 파장을 갖고 있고, 그 파장에 따라 우리는 색깔이 다른 것으로 받아 들인다. 그러나 태양에서 나오는 빛처럼 여러 종류의 파장이 연 속적으로 섞여 있는 경우도 있고, 네온사인이나 레이저에서 나오는 영롱한 빛처럼 몇 개의 불연속적인 단일 파장으로 구성되어 있는 빛도 있다. 후자의 경우, 파장 에 대해 그 섞여 있는 정도를 스펙트럼(spectrum)이라고 한다. 스펙트럼을 측정 하는 초보적인 방법은 프리즘으로 빛을 굴절시켜 보는 것이다. 유리의 굴절율이 파장에 따라 다르기 때문에 굴절된 빛은 색깔 별로 분리되는데 이 방법으로는 측 정 정밀도(분해능이라 함)에 한계가 있다. 분해능을 높이기 위해서 회절격자를 이 용하는데 이는 빛의 간섭현상을 이용한 것이다.회절격자는 평면유리나 오목한 금속판에 다수의 평행선을 등간격으로 새긴 것으로 이것에다 빛을 비추면 투과 또는 반사된 빛이 파장 별로 나뉘어서 그 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 회절격자(평면유리로 만들어진)에 평행으로 입사한 빛들은 금이 그어진 곳에서는 흡수가 되거나 산란하여 버리고 금이 그어지지 않은 좁은 틈으로 들어오는 빛은 통과한다. 그러나 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 호이겐스 원 리에 의하여 회절되어 원기둥 형태로 퍼져 나간다. 이때 이웃하는 틈으로 통과한 빛과의 광로 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면 서로 보강간섭이 일어나서 빛이 강해지나, 광로차이가 파장의 정수배가 아닐 때에는 소멸하여 버린다. 따라 서 보강간섭이 일어나는 조건이 성립하는 어떤 특정한 방향으로만 빛이 밝게 비추 어지고, 그 조건은 그 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에, 여러 파장의 빛이 섞여 있을 때에는 프리즘에서처럼 파장 별로 분리가 되는 것이다.회절격자에서 평행선의 간격을 a라 할 때 보강간섭이 일어나는 조건은asin theta =n lambda ...?이다.n : -2,-1,0,1,2..등 정수lambda : 빛의 파장theta : 회절각그림 1. 회절격자에서theta 로 산란된 빛에너지 준위와 선스펙트럼에너지 준위(energy level)는 원자주변에서 진동하고 있는 전자가 에너지를 흡수 하거나 또는 방출하면서 가질 수 있는 에너지의 수준을 의미한다. 이렇게 에너 지 준위가 나타나는 이유는 전자가 가질 수 있는 에너지는 양자화가 되어 있고 그 자신도 양자화 되어 있으므로 이때 발생하는 에너지 역시 양자화 되어 있는 불연 속적인 값으로 해석되기 때문이다. 이때 빛의 파장(에너지)을 흡수하면 흡수스펙 트럼이 나타나고, 방출하면 선스펙트럼이 나타난다.그림 2. 주로 기체원자가 에너지를 흡수하며 흡수스펙트럼이 나타남.그림 3. 주로 기체원자가 에너지를 방출하며 선스펙트럼을 나타남.그림 4. 기체에서 에너지 방출하며 특정 준위로 떨어질 때전자가 에너지를 방출하고 특정 에너지준위로 떨어질 때뿐만 아니라 반대로 에너 지를 얻고 도약할 때도 같은 원리이다.기체 원자들은 원자들 사이의 간격이 넓은 상태이므로 원자들 사이의 전자들의 영 향을 서로 많이 받지 않아서 기체원자의 경우 에너지 준위의 분포가 동일하다.??그림 5. 고체에서의 에너지 준위의 연속성고체원자 또는 원자가 수없이 많으면 에너지준위는 연속적인 띠를 이룬다. 고체 원자들은 원자들 사이의 간격이 좁은 상태이므로 전자들의 에너지 준위가 많 이 겹쳐서 거의 연속적인 에너지띠로 나타난다.파울리 배타 원리에 의해 하나의 원자는 다른 원자들과 전자 궤도를 겹치게 사용 할 수 없다. 따라서 원자들이 많아지면 서로 다른 궤도를 사용하지만 또한 수없이 많으므로 마치 연속적인 에너지띠로 나타난다.그림 6. 여러 기체원자의 흡수 스펙트럼기체 원자들은 허용된 스펙트럼을 가지고 있다. 그러므로 같은 종류의 기체는 동 일한 에너지 준위 분포를 가진다.수소의 전자는 한 개인데, 스펙트럼의 에너지준위 분포는 한 개가 아니다. 즉, 수 소 전자가 한개 일지라도 전자의 에너지는 연속적이므로 거의 모든 파장대의 스펙 트럼을 넘나들 수 있습니다. 하지만 전자의 에너지는 또한 불연속적이므로 원자마 다 전자가 가진 고유의 에너지준위 영역이 있다라고 판단할 수 있다. 따라서 기체 원자의 고유의 스펙트럼은 전자의 수가 아니라 기체 원자의 고유한 전자 에 너지 영역으로 해석할 수 있다. 그러므로 산소의 경우 전자가 8개라고 흡수 스펙 트럼의 띠도 8개가 나와야 됨을 의미하지 않는다. 가시광선의 파장대인 발머계열 외에도 비가시광선대인 라이먼, 파센계열까지 포함하면 전자의 에너지준위는 더욱 많아질 수 있다.그림 7. 불연속의 연속적인 이동?원자의 스펙트럼은 전자가 가진 에너지의 파장이 강해지고 약해짐에 따라 이동하 는 적색편이와 청색편이를 가진다. 즉, 불연속성과 연속성이 서로 전환되는 것이 다.에너지준위란 연속적인 전자가 가질 수 있는 불연속적인 에너지 영역으로 해석할 수 있다. 이러한 영역이 원소들마다 고유의 영역으로 발전하는 시스템이 된다고 해석할 수 있다. 이러한 불연속적인 에너지준위는 양자의 입자성을 나타내는 광전 효과의 원리와 유사하다.4. 실험 장비그림 8. 분광기 구조그림에서 왼쪽에 광원이 있고 광원에서 나온 빛은 슬릿을 통과하여 콜리메이터를 통하여 평행광선이 된다. 가운데 원형의 지지대 위에 회절격자가 놓여 있어서 색 깔(파장)별로 분리되어 망원경으로 들어간다. 여러가지 색깔을 포함한 광원일 때는 회절각도theta 가 각각의 색깔에 따라 달라져서 망원경을 조절함에 따라 각각을 볼 수 있다.(1) 회절격자(diffraction Grating) : 1mm에 500∼600개 정도의 미세한 금이 그 어져 있는 투과형 회절격자.(2) 분광기(Spectrometer)ⓐ 콜리메이터(Collimator) : 콜리메이터 렌즈의 초점위치에 있는 좁은 슬릿을 통 하여 분석될 빛이 콜리메이터로 들어간다. 슬릿을 통하여 들어온 모든 빛은 렌즈 에 의해 평행광선이 되어서 회절격자에 수직으로 입사하도록 해준다.ⓑ 망원경 : 회절격자에서 회절된 평행광선을 선명하게 관측할 수 있다. 대안렌즈 의 내부에는 십자로 금이 그어진 기준선이 있어서 콜리메이터의 슬릿의 허상과 일 치시킬 수 있게 되어 있다. 받침에 각도눈금이 붙어 있어 망원경에서 관측되는 빛 이 회절격자로부터 회절된 각도를 측정할 수 있다.ⓒ 각도 측정용 버어니어(Vernier) : 분광기의 기저에 원형으로 각도 눈금이 새겨 져 있다. 또한 회전할 수 있는 망원경에도 기저에 접한 쪽에 버어니어가 붙어 있 어 망원경의 회전각도를 1분까지 측정할 수 있다.ⓓ 기타 부속품들 : 회절격자, 지지대등(3) 광원 : 기체방전관 (수소, 헬륨, 네온, 수은 등), 고압전원분광학은 물리와 분석화학 분야에 적용되는데 물질에서 방출되거나 물질에 흡수되 는 스펙트럼을 분석하여 물질을 식별한다. 또한, 분광학은 천문학이나 원격 센서 에도 중요하게 사용된다. 대부분의 대형 망원경에는 분광계가 설치되어있으며 천 체의 화학적 조성과 물리학적 특성을 측정하거나 스펙트럼선의 도플러 이동을 통 해 천체의 속도를 측정하는 데 사용된다.※ 미지의 시료 분석 방법미지시료에서 성분 분석은 시료의 재질과 보고자 하는 물질/목적에 따라 나뉜다.구분무기물 시료유기물 시료정성분석XRF, XRD, SEM-EDS, XPSFT-IR정량분석ICP-MS, ICP-OES, ONH, IC, CIC, S-OESGCMS, GCHS, 원소분석기, HPLC, IC, CIC미지시료 분석장비명주 시험분야XRF액상/고상 형태의 모든 시료를 비파괴 분석XRD정성분석 및 결합구조를 확인SEM-EDS시료 표면의 성분을 전자빔으로 정성분석 _ 액상불가XPS시료 극표면의 성분을 X선을 이용하여 정성분석 _ 액상불가FT-IR유기시료를 분석하여 프로그램의 Library와 비교하여 물질 확인시료의 상태(액상/고상)에 따라 정성분석 장비를 선정하여 시료의 주성분이나 결 합 상태 등을 확인한다.5. 실험 방법< 버어니어 눈금 읽는 법 >(1) 버어니어의 0점이 가르키는 각도를 읽어준다.(2) 버어니어의 눈금들 중에서 각도눈금과 일치하는 선을 찾아서 버어니어의 수치 를 읽는다.(3) (1)에서 읽어 준 각도의 분 단위에 (2)에서 측정한 버어니어의 눈금을 더하면 바로 망원경의 각도가 된다.(4) 여기서의 각도 측정은 60진법이나, 보통 각도 단위로 10 진법을 써서 여러가 지 계산을 하므로 이를 환산한다.< 분광기 정렬 >(1) 분광기를 평평하고 안정된 실험대 위에 설치한다. 이때 분광기 밑에 있는 높이 조절나사들을 조절하여 분광기가 수평이 되도록 한다.(2) 망원경과 콜리메이터를 받치고 있는 지렛대의 양쪽에 두개의 조절나사를 잘 조절하여 수평이 되도록 한다 (미리 맞추어져 있을 것이므로 필요한 경우에만 조절 한다).(3) 망원경이 분광기에 수직인 회전축을 중심으로 잘 회전할 수 있도록 해둔다.(망 원경을 회전하지 못하도록 붙잡아두는 나사를 느슨하게 해둔다.)(4) 망원경을 들여다 보아서 가운데 십자선이 명확하게 보이도록 대안렌즈를 앞뒤 로 조절한다. 그리고 십자선의 한 선이 수직이 되도록 돌려준다.

자연과학| 2020.05.16| 9페이지| 1,000원| 조회(320)

현대물리실험, 분광기, 예비보고서 8주차, 분광기의 원리 예비보고서

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Frank-Hertz(프랭크-헤르츠) 실험 예비보고서

예비보고서 2주차▶ 과 목 :현대물리실험▶ 학 과 :물리학과▶ 학 번 :201700933▶ 이 름 :송유진▶ 제 출 일 :2020. 04. 06.1. 실험 제목- Franck - Hertz 실험2. 실험 목적- Ne의 Frank Hertz 곡선을 확인한다.- 비탄성 충돌에 대한 자유전자의 불연속 적인 에너지 방출을 측정한다.- 측정 결과를 네온 원자에 의한 불연속 에너지 흡수를 나타내는 것으로 기술한다.- 측정값들의 해석을 통해 불연속적 에너지 준위를 관찰한다.- excitation 가능성이 높은 layer로 luminance phenomenon을 identify한다.3. 실험 이론? 에너지 준위바깥쪽의 전자일수록 큰 에너지를 가지고 있지만 외부에서 빛ㆍ열 등의 에너지를 받으면 전자의 에너지는 커지기 때문에 바깥쪽 궤도는 벗어서 전자의 에너지 준위는 높아진다. 이 경우는 원자는 여기 (excitation)되었다고 하고 외부로부터의 에너지가 대단히 커서 전자가 떨어지는 상태를 전리(또는 이온화)되었다고 한다.반대로 여기 또는 전리상태에서 전자의 에너지 준위가 떨어지고 한 안쪽 궤도로 옮기는 경우에는 그 에너지 준위의 차만큼의 에너지를 방출한다. 이 에너지의 방출이방사선으로서 열, 빛 X선, γ선 등이 포함된다. 예를 들면, 외부 궤도에서 M궤도로준위가 떨어질 때는 일반적으로 빛이 방출된다.'즉, 원자는 특정 파장의 에너지만(E=hv)을 흡수하고 방출하게 된다.'? Franck ? Hertz 실험1914년 독일의 물리학자 제임스 프랑크와 구스타프 헤르츠는 수은 기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지 상태가 양자화 되어 있는 것을 확인하였다.이 둘의 실험을 재현하면서, 에너지 준위와 여기에너지 및 탄성충돌 등의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰한다.그림은 Franck - Hertz의 실험장치의 회로도이다. 그림에서 네모로 표시된 관속은 수은증기를 희박하게 넣어 봉인한 것이다. 그 내부에는 진공관처럼 필라멘트, 음극(cathode:K), 그리드(grid:G), 양극(plate:P)등을 배치해 두고 전압을 걸어 둔 상태이다.관 속의 음극 K에서 방출된 전자는 그리드G _{1}의 전압에 의하여 가속된다. 전압V _{1}이 그리드G _{1}에 대한 양극 A의 전압V _{2}보다 크면 전자는 A에 도달하므로 전류가 흐른다.V _{1}을 점점 증가시키면 전류도 증가한다. 전압V _{1}이 어떤 값이 되면 전자들 중 일부는G가까이에서 기체 원자와 비탄성 충돌을 하여 운동 에너지를 잃어버린다. 이런 현상이 일어나면 양극 A에 흐르던 전류가 급격히 감소한다. 전압V _{1}이 더욱 증가하면 비탄성 충돌에 의하여 에너지를 잃어버려도 남은 운동 에너지 때문에 전자는 양극에 다시 도달할 수 있다. 따라서 양극에 흐르는 전류가 다시 증가한다. 수은 증기를 이용한 실험에서 수은 원자의 에너지 준위 차이가 약 4.9eV임을 우리는 알고 있다. 따라서 수은등에서 이 에너지에 해당하는 빛이 방출될 것이다. 이 빛은 파장이 2.5×10-7m인 자외선이다.이번 실험에서는 네온과 수은기체, 두 가지를 사용하게 된다. 네온은 불활성기체이다. 수은 tube를 이용하여 행했던 Franck - Hertz의 실험과는 크게 다르지는 않다. 비탄성 전자 충돌을 통한 가장 있음직한 흥분은 바닥상태 위의 18.4eV에서 19.0eV사이에 위치한, 바닥상태부터 ten 3p-states까지에서 일어난다. 16.6eV와 16.9eV의 범위에 있는 낮은 네 개의 3 s-states는 흥분될 가능성이 더 낮다.위의 모식도중 왼쪽은 Ne의 states의 모식도이고, 오른쪽은 Franck - Hertz 실험 결과 그려지는 V-I 그래프이다.4. Set up 장치? 오실로스코프, X-Y 기록계등 : 없어도 실험을 진행할 수 있다. 오실로스코프의 경우 X-Y 모드로 놓고 X축을 그리드의 전압, Y축을 P로 흐르는 전류(전압으로 변환된)를 걸어주고 전압을 0V 부터 연속적으로 톱니파 모양으로 올려주면 그림 3 과 같은 모양의 그래프를 오실로스코프의 화면에서 바로 볼 수 있다. 또한 X-Y 기록계가 있으면 마찬가지 방식으로 입력하여 그래프를 종이 위에 그릴 수 있다.? 프랑크-헤르츠 실험장치 : 프랑크-헤르츠관과 전압조절기, 또한 전류계, 전압계 등이 필요하다. 또한 프랑크-헤르츠관속의 측정원소로서 수은을 사용하는 경우에는 관을 가열하여 증기화 시킬 수 있는 오븐이 필요하다. 대체로 여러가지의 실험장치가 기본적으로 그림 1의 회로에 바탕을 두고 있으며, 경우에 따라서는 G1 그리드가 생략되어 있기도 하다. 그림 2는 네온이 봉입된 관을 쓰고 또한 관과 전원, 전류계, 전압계가 일체형으로 되어 있는 대표적인 모델이다.ⓐ power : 전원스위치ⓑ Heater-Vol : F-H관 내부의 Heater에 걸리는 전압을 조정하여 캐소드에서의 열전자 방출량을 증감시킨다.ⓒ G1-K : G1-K간에 걸리는 전압을 조절한다.ⓓ G2-P : G2-P간에 걸리는 전압(역전압 Vo)을 조절한다.ⓔ G2-K : G2-K간에 걸리는 전압(가속전압 V)을 조절한다.ⓕ 전압계 : 가속전압 V를 표시하는 전압계ⓖ Zero : 전류계에 전류가 흐르지 않을 때에 정확하게 0점을 표시하도록 함ⓗ Gain : 직류증폭기의 증폭류을 조절한다. 보통 손잡이에 표시되어 있는 마크가 위쪽으로 오게 사용하면 좋다. ( 이 손잡이는 External-Internal 스위치가 Internal일 경우에만 관계하므로 측면의 외부 전류계를 연결하여 전류를 측정할 때에는 효과가 없다.)ⓘ Auto-Manu : 자동-수동 스위치. F-H관의 제 2 그리드와 캐소드간의 전압(즉 가속전압) 을 G2-K 손잡이(ⓔ)로 가속전압을 조절하여 실험할 때에는 Manu(al)에 놓고 사용하고 자동으로 변하게 할 때에는 Auto(matic)에 놓고 사용한다. 자동사용시에는 G2-K 손잡이를 최대로 돌리면 변하는 가속전압의 범위가 최대로 커진다.ⓙ External-Internal : OSC(oscillocope)를 연결할 때와 외부 전류계를 연결하여 사용할 때에는 External으로 전환하여야 한다. 내부 전류계(ⓛ)을 사용할 때에는 Internal으로 전환하여야 한다.ⓚ Meter-OSC : OSC를 연결하여 관찰할 때에는 OSC위치로 전환하여 사용하고 외부 전류계를 사용할 때에는 Meter으로 전환하여 사용한다.ⓛ 전류계 : 플레이트에 흐르는 전류를 표시해 준다. (이 전류는 직류 증폭기를 거쳐 증폭된 전류이다.)ⓜ OSC-V,E,H 단자 : OSC와 연결하여 파형을 관찰할 때 사용한다.V : Vertical (OSC의 Y축에 입력)E : Earth (접지)H : Horizental (OSC의 X축에 입력)ⓝ P-G2(I) : 플레이트 전류를 외부 Meter로 측정할 수 있는 단자. ( 단 ⓙ 스위치를 External에 놓을 것)ⓞ G2-K(E) : 제 2 그라운드와 캐소드간의 가속전압을 외부 Volt Meter로 측정할 수 있는 단자이다. (이 단자는 항상 내부와 연결되어 전압이 걸려있다. : 전압계는 병렬 연결이므로)ⓟ Heater Terminal Short Switch : Heater전류를 측정할 경우에는 교류전류계를 ⓠ 단자에 연결한후 open에 전환한다. 전류계를 연결하지 않을 때에는 Short에 놓는다.ⓠ Heater(I) : 이 단자는 교류전류계(1A 이상)를 접속하여 Heater전류를 읽을 수 있다.5. 실험방법Ne과 Hg을 사용하는 두 실험은 흡사한 실험 세팅을 사용하게 된다. 위 그림은 Ne의 Franck-Hertz 실험 setup이다. connecting cable로 tube와 오실로스코프를 supply unit에 제대로 연결하는 것이 중요하다. tube는 이미 setting된 상태이므로 cable을 연결해주기만 하면 된다. 우리는 supply unit의U _{1}과U _{2},U _{3}를 변경해주면서 적정한 curve를 관찰하여야 한다.- Neon experiment1. Neon tube를 세팅된 supply unit에 연결한다.2.U _{1}과U _{3}의 값을 일단 guidance에서 제시한 값인 2.06V와 7.94V로 맞추어놓고U _{2}를 0V부터 시작하여 천천히 올리면서 오실로스코프에 나타나는 그래프를 확인한다.

자연과학| 2020.05.16| 8페이지| 1,000원| 조회(304)

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