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밀리컨 기름방울 실험

대전된 기름방울을 균일한 전기장 속에서 운동시켜 관찰된 운동으로부터 기름방울의 전하를 직접 측정하고, 측정한 전하가 전자 전하의 정수배라는 사실로부터 전자 하나의 전하를 구한다.1897년 수증기 구름의 전체 전하에 관한 타운센드(J.S.Townsend)의 실험과 톰슨(J.J.Thomson)의 음극선 성질에 관한 실험이 전자의 전하에 대한 최조의 간접적인 측정실험으로 알려져 있다. 그 후 약 1906년경부터 밀리컨(R.A.Millikan:1868~1953)은 전자 전하에 흥미를 갖고 수증기 구름을 이용하여 간접적인 측정을 시도했으나 성공하지 못하다가 1909~1917년에 걸쳐 기름방울을 이용한 실험으로 전자 전하 측정에 성공했다. 이 전자의 전하는 전하의 기본단위가 되어, 지금껏 발견된 어떠한 소립자이라도, 또는 대전된 원자나 분자 등도 전하는 이 전자전하의 정수배의 값을 갖는다. 이 기름방울실험은 그림1에 나타난 것처럼 전기장 속에 음으로 대전된 질량 m인 기름방울을 넣었을 경우, 기름방울에 작용하는 여러 종류의 힘(전기력, 중력, 부력, 저항력)과의 관계로부터 전자전하를 구하는 직접적인 측정법이다. 이 기름방울에는 중력()이 아래 방향으로, 또한 공기에 의한 부력()이 위쪽으로 작용된다. 이 둘에 의한 아래 방향으로의 합력을 기름방울의 무게()라 할 수 있을 것이다. 이 무게를 공기의 밀도(), 기름방울의 밀도(), 그리고 기름방울의 반경(a)으로 나타내면 다음과 같다.(1)기름방울이 무게(), 정전기력 등의 일정한 힘을 받아서 운동을 할 때에는 속력에 비례하는 저항력에 의해 최종적으로는 등속운동을 하게 된다. 이때 기름방울의 외부에서 작용하는 힘은 저항력과 비기게 된다. 공기중에서 반경 a인 구가 받는 저항력()은 다음과 같이 기름방울의 종속도(terminal velocity:)와 공기의 점성계수()에 비례한다.(2)즉, 외부에서 기름방울에 작용하는 무게와 정전기력 등 총 힘은 기름방울을 운동시켜서 종속도를 측정함으로서 알 수 있게 되는 것이다.그림 2는 을 측정하는 세 가지 절차를 나타낸 것이다. 전기장을 걸어주는 세가지 상황은 각각 다음 식을 만족한다. 세가지 경우의 종속도는 모두 크기로 표시하여 양의 값으로 계산하자. 한편 기름방울의 대전 전하량 q는 음의 값이다.(3)(4)(5)(4)식 (6)식의대신 (3)의 우항을 대입하면(6)(7)그림2. 기름방울의 전하량을 측정하는 절차. 하나의 기름방울에 대해 다음 세 속력을 측정한다. (a) 전위를 걸어주지 않을 때 기름방울은 아랫방향의 종속도로 내려간다. (b) 위 전극에 -, 아래 전극에 +의 전위를 걸어주면 전자는 아랫방향으로의 정전기력이 가세되어 (a)의 경우보다 더 빠른 속도로 내려간다. (c) (b)와는 반대 방향으로 전위를 걸어주면 위쪽으로 정전기력을 작용 받아 그 힘이 무게보다 크면 기름방울이 위로의 속도로 올라간다.q값만을 측정하기 위해서는 그림 2의 (a)와 (b)혹은 (a)와 (c)의 측정만 하면 된다. 한편 기름방울의 반경 a은 식 (3)과 식(1)로부터 구한다. 전체의 데이터 해석에서 미리 알고 있어야 할 값은 공기의 밀도(), 기름방울의 밀도(), 공기의 점성계수()등이다.(1) 밀리컨 기름방울장치 : 두개의 평행 금속판 사이에 기름방울을 주입할 수 있게 노즐이 연결되어 있다. 기름방울의 움직임을 확대해 볼 수 있도록 현미경이 부착되어 있고 대안렌즈에 평행으로 눈금이 새겨져 있어 기름방울이 움직이는 거리를 알 수 있다. 도립상을 관측하게 되므로 기름방울이 아래로 움직일 때 현미경 속에 기름방울은 위로 움직이는 것으로 보인다. 보통의 기름방울장치에는 직류가변전원과 전압계가 같이 부착되어 있다.(2) 초시계(3) DMM(Digital multimeter)(4) 기름 : 기름방울의 재료로서 액체 파라핀(parafin)을 쓰거나 대신에 라텍스(latex)입자를 쓰기도 한다. 이의 밀도를 알고 있어야 한다.(1) 실험장치의 청결상태 및 기름이 있는지 확인한다.(2) 전원을 켜고 전압조절 단자를 200V~300V에 고정시킨 후 DMM으로 전압을 측압 절환 레버를 중립에 두어 전극판에 전압을 걸리지 않도록 한다.(4) 고무손잡이를 2회 정도 가볍게 눌러 기름을 분사시킨다.(5) 몇 초 후에 현미경을 잘 조절하여 위로 느리게 운동하는 기름방울 하나를 선택하여 추적한다. (실제로 기름방울은 중력에 의하여 아래로 떨어지는 것이지만 현미경에서는 도립상으로 보여 실제의 운동방향과 반대로 보인다. 이 기름방울은 1회 실험이 완료될 때까지 추적하여야 한다.)(6) 전압 절환 레버를 조절하여 위쪽 전극판에 +전위가 걸리도록 한다. 그러면 기름방울이 아래(이하 화면상)로 운동할 것이다. (때때로 위로 빠르게 운동하는 기름방울도 관측되는데 이 기름방울은 양으로 대전된 기름방울이다.) 이때 현미경 속에 그려진 평행선 두 개 사이를 이동하는데 소요되는 시간 t를 측정하여 이동속력를 계산하여 표 1에 기입한다.(7) 전압 절환 레버를 중립에 둔다. (전기장은 없어짐) 그러면 기름방울이 위로 운동할 것이다. 이때의 속력도 앞에서와 같이 측정한다.(8) 전압절환 레버를 조절하여 위쪽 전극판에 +전위가 걸리도록 한다. 그러면 기름방울이 다시 아래로 운동할 것이다. 이때 기름방울이 적당한 위치(현미경의 하단부)에 오면,(9) 전압절환 레버를 조절하여 위쪽 전극판에 -전위가 걸리도록 한다. 그러면 기름방울이 상당히 빠른 속력으로 위로 운동할 것이다. 이때의 속력도 앞에서와 같이 측정한다.(10) 동일한 기름방울에 대하여 (6)~(9) 순으로 4회이상 반복하여 측정하여 표를 완성한다.(11) 다른 기름방울에 대하여 (4)~(10)과정을 반복한다.처음 추적한 기름방울이 하나 만의 전자로 대전되어 있을 가능성은 매우 희박하며, 많은 전자로 대전된 기름방울은 운동중에 전자를 더 얻거나 잃는 경우가 있다. 따라서 전기장이 인가되지 않은 경우에는 거리 d를 통과하는데 소요된 시간가 거의 같지만, 전기장하에서 거리 d를 통과하는데 소요된 시간와를 여러 번 측정해 보면 앞의 결과와 상당한 차이가 있음을 발견할 수 있을 것이다.측정결과 분석에 필요한 나타낸 표 2을 이용하여 아래 순서에 의거 전자의 전하를 계산하도록 한다.(1) 실측값을 이용하여 표의 세로 칸을 완성시킨다.(2)와의 값의 평균치를 계산하여칸에 기입하되 두 값의 차이가 클 경우에는 데이터를 버린다.(3)칸을 다 계산한 결과 이 값들 중 최소값을 가진 줄의 n값을 1로 추정해본다. 나머지 줄의값들이 최소값의 거의 정수배가 된다면 그것을 n의 값으로 한다.(4) (3)에서 n의 값이 잘 결정 되지 않는다면 최소값의 n값을 2,3등으로 달리 추정하여 나머지가 최소값/2, 최소값/3등의 정수배에 가까운지를 확인하여 이를 n값으로 한다.(5) n이 결정되면 마지막의n 칸을 완성한다. 이 값들은 다 엇비슷한 값일 것이다. 세로로 나열된 이 값들의 평균을 취해둔다.(6) 자유낙하속도의 평균을 구하여 (1)식과 (3)식으로부터 기름방울의 반경을 계산한다.(7) (6)에서 구한 기름방울의 반경과 과정 (5)의 평균값으로부터 전자 전하를 구한다.(8) (7)에서 구한 전자전하가 이미 알려진 전자전하의 정수배로 클 경우에는 n의 값을 다시 조정해야 할 것이다. 기름방울 1개에 대한 결과만으로는 전하값을 결정 할 수는 없을 것이다. 즉 (7)의 과정에서 구한 전자 전하는 여전히 전하의 정수배의 값일 수 있다.(9) 다른 기름방울의 결과를 위와 같이 해석하여 전체 데이터로부터 전하의 기본량을 결정한다.위와 같이 하나의 기름방울을 여러번 왕복시켜서 측정을 할 수도 있으나 중간에 놓치기 쉽다. 한 기름방울에 대하여는 1회 왕복시켜혹은를 한번만 측정하여 이로부터 q값을 결정하고 이러한 측정을 20회 이상 반복하여 q값의 분포, 빈도 등으로부터 기본전하의 존재 및 기본전하를 결정하는 방법도 가능하다.1909∼1917년 R.A.밀리컨이 행한 실험으로, 전하가 불연속적인 소량성을 갖는 것을 직접적으로 확인하고, 아울러 기본전하량의 값을 정밀하게 측정한 실험.밀리컨의 유적실험이라고도 한다. X선 파장의 절대측정에 입각한 간접적인 측정법과 함께, 기본전하량의 정확한 값을 얻는 리】 공기의 저항을 받아 일정한 종단속도로 낙하하는 대전한 기름방울에 수직상향의 전기장을 걸었을 때, 기름방울이 가지고 있는 전하의 양에 따라 그 속도가 변화하는 것을 이용한다. 즉 기름방울이 자유낙하 할 때의 속도를 v1, 여기에 전기장 E를 걸었을 때 기름방울의 상승속도를 v2라 하면, 자유낙하 때에는 중력 mg(m은 기름방울의 질량, g는 중력가속도)가, 상승할 때는 eE－mg(e는 기름방울의 전하)가 기름방울에 작용하는 데, 어느 것이나 공기의 저항력과 평형을 이루어 일정한 속도(종단속도)로 움직인다.스토크스의 법칙에 의하면, 이 저항력은 6πηav2 (η는공기의 점성도, a는 기름방울의 반지름)가 되어 eE－mg=6πηav2 이 성립한다.한편, 기름 및 공기의 밀도를 σ및ρ라 하면, 부력(浮力)을 고려하여 m=4/3 ·πa3(σ－ρ)가 되므로, 이것을 위의 식에 대입함으로써, v1,v2의 실측값으로부터 기름방울의 전하 e를 구할 수 있다.【장치】 항온조에 설비된 구리 용기 내에 분무장치 A에 의해 만들어지는 비휘발성 기름방울(반지름 10-4cm 정도)을 P를 통해서 D에 넣고, 이것이 평행콘덴서를 형성하는 극판 MN 사이로 들어가게 되어 있다. S는 극판에 전위차를 주는 스위치, D의 위쪽에 장치한 관의 한쪽은 배기 ·압축 펌프, 다른 쪽은 압력계에 연결된다. 또 D의 한쪽 창은 아크등에 의해 옆쪽에서 강하게 조명을 하는 것이고, 반대쪽 창은 X선의 이온화작용에 의해 기름방울에 전하를 줌과 동시에, 조명광속의 출구로서 사용된다. 관측은 이 단면에 대하여 수직방향으로 뚫린 창에서 현미경을 사용하는데, 어두운 시야 내에 밝게 빛나는 기름방울이 현미경의 초점 사이에 놓인 2개의 표선(標線) 사이를 통과하는 시간에 따라 그 운동의 빠르기를 측정한다. 밀리컨이 이 장치로 얻은 기본전하량의 값은 4.77×10-10 esu였으나, 그 때 이용된 공기의 점성도가 실제보다 작다는 것이 밝혀졌으며, 그 후 보정되어 현재는 4.803×10-10 esu 또는 1.602×1다.

자연과학| 2009.03.18| 7페이지| 1,500원| 조회(1,144)

실험, 기름방울, 전기장, 밀리컨

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마이크로웨이브실험

실험Ⅰ. 마이크로파 광학실험1광학에서 다루는 빛은 좁은 의미에서 대략 0.4m~0.78m영역의 파장을 갖는 가시광 영역의 전자기파를 의미한다. 이 보다 긴 파장을 갖는 전자기파는 적외선(0.78m~1mm), 마이크로파(1mm~30cm), 라디오파(30cm이상)등으로 부른다. 하지만 이들은 모두 전자기파이기 때문에 근본적으로 가시광과 동일한 파동적 성질을 가지고 있다. 한편 빛의 파동성에 기인하는 광학적 현상, 즉 반사, 굴절, 간섭, 회절 등은 광학계의 크기가 파장과 비슷한 정도일 때 두드러지게 나타나므로, 본 실험에서와 같이 Gunn Diode에서 발생하는 파장 2.85cm의 마이크로파를 사용하면, 작고 정교한 광학계를 사용하지 않고 충분히 큰 광학계로도 손쉽게 실험할 수 있는 장점이 있다.이 실험에서는 파장 2.85cm의 마이크로파를 사용하여 정상파에 의한 파장 측정, 프리즘을 통한 굴절, 편광에 관한 Malus의 법칙 등에 관한 실험을 할 수 있다.공간의 한 영역에 함께 입사된 두 전자기파는 중첩의 원리를 따르게 된다. 바꾸어 말해서 임의의 한 점에서의 총 전기장은 그 점에서는 각 전자기파의 전기장들의 벡터합이 된다.중첩의 특별한 경우로서 주파수와 진폭이 동일하지만 정반대방향으로 진행하는 두 전자기파가 만나는 경우 정상파(standing wave)가 생겨날 수 있다.정상파(standing wave)에서 두 전기장이 상쇄되어 없어지는 위치들을 마디(node)라고 하는데 마디들은 중첩된 전자기파 파장()의 절반만큼씩 떨어져 위치한다. 이웃한 마디와 마디의 중간점에는 전기장진폭이 최대가 되는 위치들이 있게 되는데 이 위치들을 배(antinode)라고 한다. 이웃한 배들 사이의 간격도/2이다. 그러므로 실험적으로 정상파를 만들고 그 정상파의 마디와 마디사이 간격이나 배와 배사이의 간격을 측정할 수 있다면 정상파를 만든 전자기파의 파장을 알아낼 수 있다.? Microwave 송신기(Gunn Diode, Transmitter)? Microwave 수신기(Reciveter)? Microwave 수신기(Reciver)? 회전각도계(Goniometer)? 회전판(Rotating Table)? 삼각프리즘시료 : 강체구① 회전각도계(Goniometer)의 회전 가능한 부분에 수신기가 위치하도록 하여 실험장치를 그림 3과 같이 배치한다. 속이 빈 프리즘을 회전시키며 그 효과를 관찰해 보라. 속이 빈 프리즘은 마이크로파를 반사하는가? 에너지를 흡수하는가?② 속이 빈 프리즘을 강체구로 채운다. 계산을 간단히 할 수 있도록 마이크로파 송신기 쪽을 향한 프리즘 면이 마이크로파의 입사방향에 수직하도록 한다.③ 지침을 관찰하며 수신기를 천천히 회전시켜 지침이 최대가 되는 각도()를 찾는다.④ 프리즘의 꼭지각을 측정하고 그림 4를 이용하여 입사각()과 굴절각()을 결정하라.⑤와을 식 2에 대입하여/을 결정한다.⑥ 공기의 굴절율은 1.00과 같다. 이를 이용하여 시료의 굴절율을 결정하라.실험Ⅲ. 편광(Ploarization)발생기로부터 나오는 마이크로파는 발생기 내부의 다이오드 축방향으로 선편광되어 있다(즉, 마이크로파의 전기장은 발생기 다이오드의 축과 나란한 방향이다.)그러므로 발생기 다이오드의 축이 연직방향이라면 발생된 마이크로파도 연직방향으로 편광되어 있게 된다. 검출기의 다이오드가 그림 6에서와 같이 발생기의 다이오드와의 각을 이루고 있다면 입사파의 전기장 가운데 검출기 다이오드와 나란한 성분만이 검출된다. 이실험에서는 편광기가 마이크로파의 편광상태를 어떻게 변화시키는지를 실험적으로 관찰한다.? Microwave 송신기(Gunn Diode, Transmitter)? Microwave 수신기(Reciver)? 회전각도계(Goniometer)? 회전판(Rotating Table)? 삼각프리즘시료 : 강체구① 그림 7과 같이 실험장치를 배치한다. 수신기를 조정하여 지침이 거의 Full scale을 가리키도록 한다.② 수신기 뒷면의 나사를 풀고 검출기를 0°에서 180°까지 10°간격으로 회전시키면서 각 위치에서의 수신기 지침의 값을 읽어 기록고 감도를 조절하여 검출기의 meter지침이 full scale을 가리키도록 감도(sensitivity)를 조절한다.④ Goniometer arm을 천천히 회전시키면서 검출기 지침의 움직임을 관찰하라.⑤ Goniometer arm을 다시 회전시켜 발생기와 검출기가 마주보도록 한후 검출기를 조정하여 지침이 1.0을 가리키도록 한다.⑥ Goniometer arm을 2.5°씩 회전시키면서 지침이 가리키는 값을 기록한다. 최대값, 또는 최소값이 측정하는 각도들 사이에서 나타난다면 그 각도에서도 측정하여 최대 최소의 위치를 정확하게 파악하라. 또한 두 측정각도 사이에서 측정값의 변화가 크면 그 사이의 각도에서도 측정한다.⑦ 슬릿의 폭이 13cm가 되도록 한다. 마이크로파 발생기를 슬릿으로부터 더 멀어지도록 한 후 위의 실험과정을 반복한다.⑧ 측정결과를 그래프로 그리고 최대, 최소가 되는 각도들을 정확히 기록하라. 이 각도들이 회절이론으로 예측되는 각도들과 일치하는지 검토하라.실험Ⅴ. 이중 슬릿에 의한 회절 패턴① 그림 12와 같이 실험장치를 배치한다. Slit Extender Arm과 알루미늄판 2장, Slit Spacer를 이용하여 연직 이중슬릿을 만든다. 두 슬릿의 폭은 각각 1.5cm로 하고 가능한 한 대칭이 되게 한다.② 편광 방향이 연직이 되도록 마이크로파 송신기와 수신기의 뒷면에 있는 각도판이 0°를 가리키도록 송신기와 수신기를 회전시킨다.③ 수신기의 INTENSITY setting을 최소로 하고 감도를 조절하여 수신기의 meter 지침이 full scale을 가리키도록 감도(sensitivity)조절한다.④ Goniometer arm을 천천히 회전시키면서 수신기 지침의 움직임을 관찰하라.⑤ Goniometer arm을 다시 회전시켜 수신기와 송신기가 마주보도록 한 후 수신기를 조정하여 지침이 1.0을 가리키도록 한다.⑥ Goniometer arm을 2.5°씩 회전시키면서 지침이 가리키는 값을 기록한다. 최대값, 또는 최소값이 측정하는 각도들 사이에서 나타난만큼 변하게 된다. 이 경우 수신기 지침은 극소를 거쳐 다시 극대로 돌아오게 된다. 이를 이용하면 사용한 파원의 파장을 측정할 수 있다.① 그림 13과 같이 실험장치를 배치한다.② Goniometer arm을 따라 반사판 A를 이동시키면서 수신기 지침이 극대값, 극소값을 가리키는지 관찰한다.③ 수신기 지침이 극대값을 가리키는 한 위치에서 반사판을 정지시킨 후 그 때 반사판의 위치()을 기록한다.④ 수신기 지침을 보면서 반사판을 천천히 움직여 적어도 10개의 극소 위치를 지난 후의 극대 위치에서 정지시키고 그 때의 반사판 위치()를 읽어 기록한다. 마이크로파의 파장는 얼마인가?⑤ 반사판 A의 다른 위치에서 출발하여 위의 실험을 반복한다.실험Ⅶ. 강체구마이크로웨이브를 이용하여 강체구로 제작된 모형격자로부터 회절되는 회절 강도를 측정하여, X선 회절을 흉내내어 본다.(1) 회절조건과 회절 방향회절현상은 격자점에서의 산란현상이며 반사된 산란선은 그 위상에 따라 보강 또는 소멸 간섭현상을 일으켜 회절무늬가 나타난다. 그림 14에서 입사선이 결정면에서 회절되어 경로차가 파장의 정수배와 같을 때 보강간섭을 일으킨다. 경로차가 파장의 정수배일 때 산란 X선 A'과 B'은 위상이 일치하고 이때 Bragg법칙은(3)이다. 여기서 n은 정수이고는 입사선의 파장, d는 격자면간 거리 그리고는 결정면에 대한 회절각이다. Miller지수를 써서 나타내면(4)로 쓸 수 있다. 여기서이다.Bragg법칙과 결정면간 거리를 나타내는 식은 다음과 같다.① 입방정계(Cubic System)결정면간의 거리는 격자상수 a일 때(5)이므로(6) 이다. 입사선의 파장, 입방정의 회절된 결정면과 회절각으로부터 격자상수 a를 구할 수 있고, 격자상수 a를 알면 회절각도 알 수 있다.② 정방정계(Tetragonal System)회절각과 결정면 사이의 관계는 서로 다른 축의 길이를 a와 c라고 할 때(7) 이다.③ 육방정계(Hexagonal System)회절각과 결정면 사이의 관계는(8) 이다.(2)회절강도결meter)? 회전대(Rotating Table)? 스티로폴 격자 조립1)격자의 제작A면 : 강체구 간격을 가로 X세로로 규칙적으로 배열B면 : 강체구를 A면 각변의 중심에 규칙적으로 배열① 단순격자(SC) : A면을 규칙적으로 쌓는다.② 체심격자(BCC) : A와 B면을 교대로 쌓는다.2)회절각과 회절강도의 측정① 단순격자를 회전대 위에 올려놓고 송신기와 수신기를 마주보게 한다. 처음 회전각도계는 180°이고, 격자의 [100]면에서 회절강도가 극대치를 나타내는 회절각을 찾기 위하여 [100]방향이 송신기와 수신기를 잇는 축선과 90°를 향하게 한다.② 수신기의 초기눈금이 최대눈금을 넘지 않도록 조정한다.③ [100][110][111][210]면에서 회절되는 회절각 2를 5°간격으로 측정한다. 다른 격자를 이용하여 위의 실험을 반복, 측정한다.* 마이크로파? 파장의 범위가 1mm부터 1m 사이의 전파들을 모두 가리키는 용어이다. 파장이 짧으므로 빛과 거의 비슷한 성질을 갖고 있으며 살균력이 강하다는 특징이 있다. 이런 특성을 적용 한 것인 전자레인지이다.? 초단파보다 주파수가 높다. 일반적으로 300~3,000MHz의 UHF(ultrahigh frequency:데시 미터파 또는 마이크로파라고도 한다), 3~300GHz의 SHF(superhigh frequency:센티미터파 라고도 한다)인 것을 말하는 경우가 많다.불꽃방전을 이용하면 거의 모든 파장의 마이크로파를 발생시킬 수 있으나, 출력이 약하고 불안정하며, 보통의 전자관은 전자의 운동속도가 비교적 느려서 1주기의 시간이 극히 짧은 마이크로파 발생에는 적당하지 않다. 따라서 마이크로파를 발생시키려면 특별한 전자관·클 라이스트론·마그네트론·메이저 등을 쓰며, 그 전송에는 주로 입체회로를 쓰는데, 전자나팔· 파라볼라안테나에서 날카로운 지향성을 가지게 하여 방출된다. 파장이 짧으므로 직진성·반 사·굴절·간섭 등의 성질은 빛과 거의 비슷하다. 이 성질을 이용하여 마치 탐조등을 비추듯 이 한 방향으로 집중된 마이크로

자연과학| 2009.03.18| 13페이지| 2,000원| 조회(598)

정상파, 마이크로웨이브, 수신기, 파장

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coulomb`s law

실험. Coulomb's LawCoulomb's law를 이용해서 힘이 전하에 비례하고 거리제곱에 반비례하는지 알아보자.Coulomb's law는 전기력 및 자기력에 관한 법칙으로서 r인 거리를 두고 움직이지 않는 두 점전하사이에 작용하는 힘 F는 이들의 결합선의 방향으로 향하고 그 크기는(1) 이라고 하는 법칙을 말한다. 전하가 같은 부호이면 반발력, 다른 부호이면 인력이 발생하는데, 만유인력과 다른 점은 바로 만유인력은 인력만 있는 반면에 Coulomb‘s law 같은 경우는 인력, 반발력 두 가지가 있다는 것이다. 이는 질량에는 한 가지만 있고 전하는 극성이 두 가지가 있기 때문이다. 전기에 관해서는 Coulomb보다 Priestley가 속이 빈 도체의 내부표면에 전기가 존재하지 않는다는 실험 결과를 바탕으로 하여 역제곱의 법칙이 성립함을 밝힌 바 있으나, 학계에는 잘 알려지지 않았다. 그러나 Coulomb은 처음으로 전기적 인력과 반발력을 정량적으로 측정하여 그들 힘을 지배하는 법칙을 세웠다. Coulomb은 아래 그림과 같은 비틀림 저울을 이용하여 위의 (1)식과 같은 실험결과를 발표했는데 엄밀하게 가까운 곳에서는 항상 성립하는 것은 아니다. 그 후에는 Coulomb's law의 분모의 거리의 지수가 정확히 “2”가 되는지 관심을 갖게 되어 여러 사람들이 실험을 하게 되었다.(2) 아래 그림은 비틀림 저울을 사용했을 때 힘과 각도간의 calibration 을 통해 graph로 나타낸 것이다.힘과 Torsion angle은 서로 비례함을 이용하여 힘을 직접 측정하는 대신 각도를 측정함으로써 Coulomb's Law를 확인할 수가 있다.아래 그림은 Torsion angle Vs간의 관계를 나타낸 것이다.① 먼저 Fig.1에서 degree scale의 윗 손잡이인 torsion knob을 돌려 각도가 0이 되도록 맞춘다.② 바닥에 있는 torsion wire retainer를 회전 시켜 가면서 Fig.2처럼 counterweight vane에 그어져 있는 실선과 index arm에 그어져 있는 실선을 일치 시킨다.③ 위에서 설치한 torsion balance와 side assembly를 Fig.3과 같이 plate와 나사를 이용하여 결합시킨다.④ Torsion balance의 전하구와 slide assemble의 전하구가 거의 닿을 정도로 track을 따라 slide assembly의 지지대를 움직여 가면서 조정한다. 그리고 바닥에 있는 눈금이 3.8cm가 되도록 slide assembly의 전하구를 고정시키고 있는 나사를 풀어 전하구에 붙어있는 가느다란 관을 조정하면서 이를 맞추도록 한다. 이 때 3.8cm이란 전하구의 직경을 말한다. ⑤ 그러면 이제 degree scale은 0을 가리키고 있고 index line(위에서 말한 실선)은 일치하고 전하구들은 서로 거의 닿을 정도로 붙어있을 것이다. 또한 눈금자는 3.8cm를 가리키고 이것은 두 전하구의 중심 사이의 거리를 말한다.⑥ Fig.4처럼 장치를 구성한다.⑦ suspended spherefmf 가능한 멀리 떨어지게 하여도 index line들이 일치하는지 확인하여라. 만약 일치하지 않다면 다시 Torsion wire retainer를 회전시켜서 조정하라.⑧ sliding sphere를 20cm에 위치시키고 난 후 van de graff를 작동시켜 charge probe의 끝을 van de graff에 갖다 대고 나머지 한 쪽인 침을 sliding sphere에 갖다 대어 대전 시킨다. (주의사항 : van de graff는 순간적으로 수 만 Volts의 전압을 형성하므로 van de graff에 직접적으로 손을 대는 일이 없도록 한다. 그리고 실험 할 때는 반드시 석면 장갑을 착용한 채 사용하도록 한다. 그리고 실험이 다 끝난 후에는 반드시 금속과 같은 물체에 손을 몇 초 동안 대고 있으면서 손에 대전 되었던 전하를 방전 시킨다.⑨ sliding sphere를 대전시키면 suspended sphere는 전기력으로 인해 반발하게 되어 회전하게 될 것이다. 이 때 torsion balance 장치 위에 있는 torsion knob을 회전시켜 suspended sphere의 index line이 일치하도록 하고 그때의 회전한 각도, 거리 R을 기록한다.⑩ 다시 두 전하구를 멀리 떨어뜨려 방전 시킨 후 다시 10cm에 위치시키고 ⑧의 과정을 반복한다. 이런 식으로 ⑧의 과정을 몇 번 반복하여의 값이1의 오차가 나는의 값만 채택하여 이 값을 따로 기록한다.⑪ 거리 R이 9.5, 9, 8.5, 8, ......, 5cm 일 때 각각에 대하여 ⑧~⑩의 과정을 반복하여 Table 1.에 기록한다.⑫ 이 실험에서 우리는 이론에서 언급했듯이 force가 torsion angle에 비례한다고 가정하고 있다. 이제 ⑪에서 얻은 data로부터와 R의 관계가 구할 수가 있다.와의 관계를 도식화 하여라. 그러나 R이 작을 때는 이 관계가 유효하지 않음을 발견하게 될 것이다.⑬을 보정인자로 나누어준와사이의 관계를 도식화 하여라. 앞에서 그린 graph와 어떻게 달라졌는지 비교 분석하라. (a(구의 반경)=1.9cm)

자연과학| 2009.03.18| 6페이지| 1,500원| 조회(339)

거리, 쿨롱, 쿨롱의 법칙, 전기장, 비틀림저울

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프랑크헤르츠실험

실험Ⅰ. 프랑크 헤르쯔의 실험수은 기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지 상태가 양자화 되어 있는 것을 확인한 프랑크 헤르쯔 실험을 본 실험에서는 Ne관으로 대체하여 Ne의 에너지 준위와 여기에너지, 탄성충돌등의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰한다.1914년 프랑크와 헤르쯔는 원자가 전자와 충돌할 때 특정한 양의 에너지만을 주고 받는다는 사실을 발견하였다. 이 특정한 에너지는 바로 그 원자가 가지고 있는 스펙트럼의 관측으로부터 얻어진 전자의 에너지 준위의 차이에 해당하는 것이 되어, 물질의 양자화에 대한 보다 직접적이고 확고한 증거가 되었다.그림 1은 프랑크-헤르쯔의 실험장치의 회로도이다. 그림에서 네모로 표시된 관속은 수은증기를 희박하게 넣어 봉인한 것이다. 그 내부에는 진공관처럼 필라멘트, 음극(cathode: K로 표기), 그리드(grid: G로 표기), 양극(plate: P로 표기)등을 배치해 두고 전압을 걸어 둔 상태이다.필라멘트를 가열하면 K(음극)에서 방출된 열전자는(제 2 그리드)에 의해 가속되어 그 운동에너지가 증가하게 된다. 이 전자가를 통과한 후 P(양극)와의 역전압에 의해 약간 감속되어 P에 흡수되는데 그 정도는 전류계의 전류를 측정함으로써 알 수 있다.에 걸리는 가속전압을 증가 시키면 더 많은 전자가 P에 도달하여 플레이트 전류는 증가한다. 만일 전자가 관속에 들어 있는 기체 원자와의 충돌에서 그 운동에너지가 원자의 내부에너지로 흡수되지 않는다면 전자의 질량이 원자의 질량에 비해서 월등히 작은 관계로 전자의 운동에너지는 거의 변화가 없을 것이다. 운동에너지를 거의 잃지 않기 때문에 전자의 운동방향이 바뀔 뿐이므로 전류의 양에는 크게 변화가 없을 것이다. 그러나 그 충돌에서 에너지를 잃어버린다면 (전자의 운동에너지를 잃어 버리는 경우 그 잃어버린 에너지는 당연히 원자에 흡수되고 이러한 충돌을 비탄성 충돌이라 한다)전류는 줄어들 것이다.관속에 들어 있는 원자는 바닥상태의 에너지로부터 띄엄띄엄한 에너지준위를는 양만큼의 에너지를 가진 전자를 만났을 때 그 에너지를 흡수하여 높은 에너지 상태로 올라간다. 이런 조건이 충족될 때 전자와 완전비탄성 충돌을 하게 되어 전자의 모든 운동에너지를 빼앗게 된다.의 전압을 서서히 올려주어주위에서의 운동에너지가 마침내 원자의 첫 번째 여기에너지로 되었을 때 그 지점에서 전자는 자기의 모든 에너지를 잃고 멈추게 될 것이다. 이런 조건이 되었을 때 전류계의 눈금은 급격하게 줄어 들게 된다. 그 전압을 초과하여 더 증가시키면 완전비탄성 충돌이 일어나는 지점은로부터 앞쪽으로 당겨진 곳이 되어 그곳에서부터 전자는에 이르는 동안 다시 가속된다.의 전압이 여기에너지의 두배가 될 때가지 또다시 전류는 증가하지만 두배가 되면부근에서 두 번째의 탄성충돌로 에너지를 잃어 버리기 때문에 두 번째로 전류계 눈금이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이런 식으로 전압을 계속 증가시키면 세 번째, 네 번째 등에서도 같은 현상이 관측되어 이들로부터 관속의 원자의 여기에너지를 구할 수 있다.관속에 넣을 수 있는 원자는 단원자 상태로 존재하는 것이어야 한다. 분자상태인 경우에는 전자가 충돌할 때 거의 연속적인 값의 에너지를 전달할 수 있기 때문에 양자화 효과를 관측할 수 없다. 그래서 보통 수은(Hg)이나 네온(Ne), 아르곤(Ar)등을 쓴다. 본 실험에서는 네온(Ne)관을 사용하였다.프랑크-헤르츠 실험 장치(SG-6142): 네온관(Ne)사용① 장치는 다음과 같이 초기 설정을 한다.전원 스위치는 OFF, 각각의 조절 손잡이는 최소, 모드 선택 스위치는 아래로 하여 각각 MANUAL, INT, OSC를 선택한다. 우측면에 있는 HEATER 전류 측정 선택 스위치는 SHORT로 선택한다. ( OPEN으로 선택할 때에는 교류 전류계를 반드시 연결하여야 한다.)② 판넬면의 뚜껑을 열어 프랑크-헤르츠 관을 삽입 한다. (유리관을 삽입할 때는 유리관에 지문이 생기지 않도록 주의 하여라.)③ 전원코드를 연결하고, 전원 스위치를 켠다.④ 영점 조절 손잡이(ZERO. ADJ)를 조절 향할 때가 대체로 적 합하다.) 이 조절 손잡이는 G2-P 전류의 증폭을 조절하는 손잡이이다.⑥ G2-K 조절 손잡이를 조절하여 전압계가 약30V가 되도록 한다.⑦ HEATER전류 조절 손잡이를 중간으로 조절하고, G1-K 조절 손잡이를 조금씩 증가 시 켰을 때 전류계의 눈금이 가장 잘 움직이는 위치에 고정 한다(약 60 A m ). ( G1-K 손잡 이를 조절하여도 전류계의 변화가 적으면, G1-K 조절 손잡이를 최소로 한 후, HEATER 전류를 조금 증가 시키고, G1-K 조절 손잡이를 조절하여 보아라. 전류계의 눈금이 영역을 벗어나면 HEATER 전류를 감소시킨 후, G1-K 조절손잡이를 조절하여 보아라. 단, HEATER 전류는 될 수 있는 한 적게 하는 것이 좋다.)⑧ 다시 G2-K 조절 손잡이를 최소로 하고, 영점 조절 손잡이를 조절하여 전압계의 영점을 조정하여라.⑨ G2-K 조절 손잡이를 돌려 전압계의 눈금이 30V가 되게 조작 하여라.⑩ G2-P 조절 손잡이를 돌려 전류계의 눈금이 30uA가 되게 조정한다.⑪ G2-K 조절 손잡이를 최소로 하고, 다시 영점 조정을 하여라.⑫ 이제 G2-K조절 손잡이를 돌려 전압을 증가 시키면서 전압에 따른 전류계의 눈금의 변 화를 측정 기록하여라. 그 결과를 이용하여 전압과 전류에 따른 그래프를 그려 보도록 한 다.⑬ Mode 선택 스위치를 Auto로 조정하고 G2-K스위치를 최대로 하고, 전압과 전류의 변화 를 관찰 하여라. ( 이것은 X-Y(X-T)기록계를 이용하여 측정할 때 이용한다. X-Y기록계 연결시에는 ⑬번 스위치를 EXT로 하고 ⓒ단자를 X축단자에, ⓑ단자를 Y축단자에 연결해 야 한다)⑭ 전압의 증가에 따른 전류의 증가 감소의 변화가 일어나지 않을 때에는 G2-P조절 손잡 이와 Heater전류 조절 손잡이를 조절하도록 한다.실험Ⅱ. 오실로스코프 연결 방법① 프랑크 헤르쯔 실험장치(SG-6142)(1)② 오실로 스코프(1)③ BNC to banana Jack(2)① 프랑크 헤르쯔 실험장치를 AutoBNC to banana Jack를 사용해서 BNC는 오실로 스코프 단자에, 그리고 Banana Jack 은 프랑크헤르쯔 실험장치에 연결하되 프랑크헤르쯔 실험장치의 전류단자(H)를 오실로스코 프의 Y값으로 입력한다. 그리고 프랑크헤르쯔의 전압단자(V)를 오실로스코프의 X값으로 입력하고, 프랑크헤르쯔 장치의 E단자에는 접지선 둘 중의 하나만 연결한다.③ 오실로 스코프의 전원을 켜고 프랑크헤르쯔장치의 모드선택 스위치를 EXT, OSC모드로 선택한다.④ 오실로스코프의 Time/Div 스위치와 Volt/Div스위치를 잘 조절하면 전압과 전류의 신호 변화가 오실로스코프에 나타날 것이다.⑤ 기타 상세한 사용법은 오실로스코프의 메뉴얼을 참고 하도록 한다.실험Ⅲ. X-Y 기록계 연결 방법① 프랑크 헤르쯔 실험장치(SG-6142)(1)② X-Y 기록계(1)③ banana to banana Jack(4)① 프랑크 헤르쯔 실험장치를 Auto mode로 설정하고 전압, 전류의 변화를 관찰할 수 있도 록 setting 한다(실험 1 참조)② 프랑크 헤르쯔 실험장치의 G2-K(E) 단자와 X-Y기록계의 X단자를 banana연결 잭으로 연결하고, PG2(1)단자와 X-Y 기록계의 Y단자를 연결한다. 연결 시 + -극성의 주의해야 한다.(일반적으로 +는 빨간색, -는 검정색을 사용한다)③ 프랑크헤르쯔장치의 모드선택 스위치를 EXT, OSC모드로 선택한다.④ X-Y기록계의 입력전압을 적절히 조절하고(X, Y각각 따로 조절해야한다) 기록계의 전원 을 켠다.(X-Y기록계의 허용전압범위를 확인하고 연결해야한다. 만약 기록계의 허용범위가 50V를 넘지 못 할 때는 프랑크 헤르쯔 실험장치의 G2-K 스위치를 조절하여 최고전압이 50V를 넘지 않도록 설정해야 할 것이다)⑤ 전압과 전류의 변화곡선을 잘 살피면서 입력전압을 다시 적절히 조절하여 범위 안에서 가장 큰 그래프를 얻을 수 있도록 설정한다.⑥ 그래프가 일정하게 그려지면 펜을 내려서 실제로 그래프를 그리도록 하고 그 결과 값으 로 전류의Peak 헤르츠 관을 다룰 때에는 관이 파손되지 않도록 주의하고, 관의 유리부분을 손과 직접 접촉되지 않도록 주의하도록 한다.② Heater전류는 많이 흐르지 않도록 하여 실험하도록 한다.? J.프랑크와 G.헤르츠가 1913년 이후 원자의 공명퍼텐셜을 구하기 위해 실시한 실험이 다. N.H.D.보어의 원자구조론에 대한 실험적 근거를 밝혀 양자론 발전에 기여하였다.1913년 제창된 N.H.D.보어의 원자구조론에 대한 실험적 근거를 찾기 위한 실험으로 독일의 물리학자 프랑크(James Frank)와 헤르츠(Gustav Ludwig Hertz)가 실시하였다. 보어의 원자구조론에 따르면 원자 내부의 전자는 특정한 에너지준위를 가지고 있다. 이 사실은 원자스펙트럼을 관찰하여 알 수 있는데, 프랑크-헤르츠의 실험은 다른 방식으로 그 구조를 알고자 한 것으로 이후 양자역학의 발전에 기초가 되었으며 프랑크와 헤르츠는 이 공로로 1925년 노벨 물리학상을 수상한다.이 실험은 전자와 원자를 충돌시켜 원자 내부의 전자의 들뜸을 통해 에너지준위의 존재를 입증하는 것이다. 이를 위해 열전자(熱電子)를 가속하여 전자빔을 만들고 이를 저압 기체 속으로 지나가게 하여 기체를 이루는 원자와 충돌하게 한다. 그리고 전자빔을 가속시키는데 따른 전류의 세기를 조사하면 전자가 원자와의 충돌에 의해 어떤 방식으로 에너지가 변화했는지 알 수 있다. 처음에는 가속전압이 증가할 때 전류도 함께 증가하지만 전압이 계속 증가하여 어떤 한계값에 도달하면 전류가 급격히 감소하게 된다. 여기서 가속전압이 더 증가하면 전류는 다시 증가하고 다시 가속전압이 제2차 한계값에 이르게 되면 전류가 급격히 감소하며, 이와 같은 전류의 증가와 감소가 반복된다. 이 결과는 어떤 특정 에너지보다 낮은 운동에너지를 가진 전자는 원자와 탄성충돌하여 운동방향만 바뀌고, 그 이상의 운동에너지를 가지는 전자는 원자와 충돌하여 에너지를 주고받는 비탄성충돌을 한다는 것을 알려준다. 이러한 한계가속전압은 각 원소에 대해 고유하며, 원자스펙트럼의 관측으.

자연과학| 2009.03.18| 7페이지| 1,500원| 조회(378)

프랑크헤르츠, Ne, 기체방전관, 프랑크상수, 수은기체

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분광실험

실험Ⅰ. 회절격자실험(분광기를 이용한 스펙트럼 측정)회절격자 분광기(diffraction grating spectrometer)를 이용하여 기체 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼(spectrum)을 관측하고 각 휘선의 파장을 구한다. 이 측정으로부터 빛의 파 동성을 이해하고 파동의 대표적인 현상인 간섭효과를 관찰할 수 있다. 또한 여러 가지의 광원에서 나오는 빛들이 포함하고 있는 성분들을 파장 별로 분간하여 빛이 발생하는 원리 를 이해한다.빛은 우리가 사물을 인식하는데 직접적인 매개가 되기 때문에 일찍부터 자연과학자들 뿐 만 아니라 철학자들에게도 주요한 연구 대상이었다. 태양으로부터 발생되어 나온 빛은 우 리 앞에 있는 물체에서 반사되어 눈으로 들어오게 되어 우리는 그 빛의 눈부신 정도(밝 기), 색깔, 빛의 범위 등으로부터 그 물체를 분간할 수 있었고, 그것을 지적하기 위하여 이 름을 매기게 되었던 것이다.빛의 본성이 무엇이냐에 대하여 소위 입자설과 파동설이 각각 한 세기 정도를 지배하는 이론으로 되어 있었으나, 지금의 입장에서는 두 성질이 공존한다는 약간은 애매모호하고 타협적인 결론에 도달해 있다고 말할 수 있다. 즉 맥스웰의 전기학, 자기학의 통합이론에 서 유도되는 전자기파중의 특정한 범위의 파장을 갖는 파동이라는 입장과 또한 아인슈타인 의 광전효과의 해석에서처럼 물질과 상호작용을 에너지의 덩어리 형태로 한다는 입자라는 입장이 공존하고 있다는 말이 된다. 이러한 점을 빛의 이중성이라고 일컫는데 이 두가지 성질은 측정하는 기구의 구조에 따라 각각 따로 나타나게 된다. 파동적인 입장에서는 빛이 가지고 있는 파장에 따라 빛을 구분하여 파장이 긴 쪽으로부터 장파, 중파, 단파, ..., 적외 선, 가시광선, 자외선, X-선, γ-선이라 한다. 이중 우리가 통상적으로 빛이라 하는 것은 우리 눈으로 감지할 수 있는 가시광선을 보통 이야기 한다.가시광선은 300nm~700nm의 파장을 갖고 있고, 그 파장에 따라 우리는 색깔이 다른 것 으로 받아 들인다. 그러나 태양에로 퍼져나간다. 이때 이웃하는 틈으로 통과한 빛과의 광로 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면 서로 보강간섭이 일어나서 빛이 강해지나, 광로차이가 파장의 정수배가 아닐 때에는 소멸하여 버린다. 따라서 보강간섭이 일어나는 조건이 성립하는 어떤 특정한 방향으로만 빛이 밝게 비추어지고, 그 조건은 그 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에, 여러 파장의 빛이 섞여 있을 때에는 프리즘에서처럼 파장 별로 분리가 되는 것이다.회절격자에서 평행선의 간격을 a 라 할 때 보강간섭이 일어나는 조건은(식 1)이다 (여기서 n 은 -2,-1,0,1,2..등 정수이고 는 빛의 파장, θ 는 회절각임).○ 분광기그림 2. 분광기의 구조. 그림에서 왼쪽에 광원이 있고 광원에서 나온 빛은 슬릿을 통과하여 콜리메이터를 통하여 평행광선이 된다. 가운데 원형의 지지대 위에 회절격자가 놓여 있어서 색깔(파장)별로 분리되어 망원경으로 들어간다. 여러가지 색깔을 포함한 광원일 때는 각도 θ 가 각각의 색깔에 따라 달라져서 망원경을 조절함에 따라 각각을 볼 수 있다. 위 그림은 한가지 색깔에 대해서만 그린 것이다○ 회절격자(diffraction Grating) : 1mm 에 500～600 개 정도의 미세한 금이 그어져 있 는 투과형 회절격자.○ 분광기(Spectrometer)? 콜리메이터(Collimator) : 콜리메이터 렌즈의 초점위치에 있는 좁은 슬릿을 통하여 분 석될 빛이 콜리메이터로 들어간다. 슬릿을 통하여 들어온 모 든 빛은 렌즈에 의해 평행광선이 되어서 회절격자에 수직으 로 입사하도록 해준다.? 망원경 : 회절격자에서 회절된 평행광선을 선명하게 관측할 수 있다. 대안렌즈의 내 부에는 십자로 금이 그어진 기준선이 있어서 콜리메이터의 슬릿의 허상과 일 치시킬 수 있게 되어 있다. 받침에 각도눈금이 붙어 있어 망원경에서 관측되 는 빛이 회절격자로부터 회절된 각도를 측정할 수 있다.? 각도 측정용 버어니어(Vernier) : 분광기의 기저에 원형으로 각도 눈금이 새겨져 있다. 또한 회전할 수 있는렬(1) 분광기를 평평하고 안정된 실험대 위에 설치한다. 이때 분광기 밑에 있는 높이 조절 나사들을 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 조절한다).(3) 망원경이 분광기에 수직인 회전축을 중심으로 잘 회전할 수 있도록 해둔다.(망원경을 회전하지 못하도록 붙잡아두는 나사를 느슨하게 해둔다.)(4) 망원경을 들여다 보아서 가운데 십자선이 명확하게 보이도록 대안렌즈를 앞뒤로 조절 한다. 그리고 십자선의 한 선이 수직이 되도록 돌려준다.(5) 망원경을 들여다 보면서 오른쪽의 조절 손잡이를 조절하여 무한대에 초점을 맞춘다. (망원경을 먼 곳으로 향하게 하고 물체가 명확하게 보이도록 한다.)(6) 콜리메이터 끝에 붙어 있는 슬릿을 조금 열고 콜리메이터와 망원경을 나란하게 한다.(7) 망원경을 들여다 보아 슬릿을 통해 들어오는 밝은 빛을 화면 가운데 오도록 한다.(8) 콜리메이터에 붙어 있는 초점조절 나사를 조절하여 망원경으로 슬릿의 선명한 상을 볼 수 있도록 한다. 그리고 슬릿의 폭을 최대한 줄여 상을 가느다라하게 하고 이 선과 십자선의 수직선과 일치시킨다.(9) 망원경의 고정 나사를 조여준다.○ 회절격자를 설치하는 법(1) 가운데 있는 회전대의 밑부분을 회전시켜서 그 회전대 양쪽의 버어니어 눈금이 0°와 180°를 가르키도록 한 후 더 이상 회전하지 못하도록 고정한다.(2) 회절격자를 가운데의 설치대에 끼운다. (이때 회절격자로 불빛을 바라 보아서 회절격 자의 격자선이 그어져 있는 방향을 알아내고, 그 격자선이 정확하게 수직이 되도록 설 치대에 끼운다.)(3) 콜리메이터의 슬릿 앞에 광원(백색광원 가능)을 설치한 후, 망원경을 들여다보아 슬릿 을 통해서 들어오는 가는 불빛이 선명하게 보이도록 에서처럼 조절을 다 시 한다.(4) 망원경을 회전시켜서 어느 각도에 이르러 회절된 무지개 색깔의 스펙트럼 이 화면의 중앙에 배. 그리고 광원에 따라서 너무 많은 색으로 분리 되는 경우가 있는데, 그중 밝은 것들 10 개정도만 측정하여도 좋 다.(5) 측정한 각도들로부터 파장을 계산하여 기존의 알려진 값과 비교한다.(6) 광원을 바꾸어서 (1)～(5)의 과정을 되풀이 한다.실험Ⅱ. 프리즘 분광기프리즘 분광기로 이미 알고 있는 휘선 스펙트럼을 측정하여 눈금 보정 곡선을 구하고, 기체 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼을 관측하여 이들의 파장을 구한다.※ 프리즘 분광기의 구조는 그림과 같다.※ 콜리메이터 C 의 슬릿 S 앞에 수은등을 놓는다.※ 콜리메이터를 통한 빛이 프리즘 P 에서 굴절되어 망원경 T 로 선명하게 볼 수 있도록슬릿의 간격과 망원경의 대안렌즈 E 를 조절한다.※ 다음, 눈금 콜리메이터 D 앞에 백열등을 놓아 (거울 M 에 반사시켜도 된다) 망원경으로휘선 스펙트럼의 위치 눈금을 읽기 좋게 백열등의 밝기를 조절한다.※ 콜리메이터의 슬릿 앞에 기체 방전관(헬륨)을 놓고 관측되는 스펙트럼의 분포와 빛깔을기록하고 각 빛깔의 대표적인 파장을 구한다.※ 다른 방전관들(수소,네온)의 휘선 스펙트럼의 분포와 빛깔을 기록하고 각 빛깔의대표적인 파장을 구한다.실험Ⅲ. 분광계분광계 프리즘의 꼭지각과 최소 벗어나기 각을 측정하여 프리즘의 굴절률이 파장의 함수임을 실험한다.꼭지각 A 인 프리즘에 그림과 같이 빛이 입사각으로 들어와 두 번 굴절하여 나갈 때 빛이 들어온 방향으로부터의 각 변화 D를 벗어나기 위한 각(angle of deviation)이라 하며, 다음 식으로 주어진다.그런데이므로 윗 식은D값은값에 따라 변하나일 때 최소 벗어나기 값이 Dmin이 된다.이 때에는이 성립하므로 굴절률 N은에서 A와 Dmin을 구한다.○ 분광계의 조정? 분광계는 그림과 같이 자유로이 회전할 수 있는 평판 원판 A 와 B 가 중앙부분에 있 고, 또 그 주위를 자유로이 회전할 수 있는 망원경 T 와 콜리메이터가 있으며, 콜리메 이터 앞에는 슬릿 S 가 부착되어 있다.? 먼저 T 로 먼 거리에 있는 물체에 맞추면서 그 중에서 밝은 선(색)을 택하고 이들의 파장을 스펙트럼 파장 분석표 에서 알아놓는다. (보통은 나트륨등을 사용하며 D 선을 기준으로 한다.그리고, 그 한 개의 파장에 대하여 최소 벗어나기 각을 측정함으로서 그 파장에 대한 굴 절률을 구한다.먼저, 망원경의 위치를 잘 선택하고 프리즘을 조금씩 움직이면서 슬릿의 그 상을 망원경 으로 잡은 다음 프리즘을 돌려 상이 움직이는 방향으로 망원경을 계속 옮긴다. 이 때 프 리즘 대를 같은 방향으로 돌려도 슬릿의 상이 어느 점까지 갔다가 다시 되돌아오는 점이 있게 되고, 이 회기점이 바로 최소 벗어나는 방향이다.이 회기점을 찾으면 프리즘을 돌려서 굴절광이 반대쪽으로 오게 한다. 그리고 망원경을 돌려서 반대방향에서 최소로 벗어나는 각을 찾고 이 때의 각을 읽는다. 이 두 회기점의 각의 반이 프리즘의 최소 벗어나기 각이 된다. 이 값을 식에 대입하여 n(굴절률)을 구한 다.여러가지 파장에 대하여 같은 측정을 되풀이한 후 굴절률 n을 파장의 함수로 그래프 를 그린다.*프리즘과 회절격자? 프리즘은 투명 유리로 만든 삼각형 모양의 막대를 말한다.한쪽에서 빛(백색광)을 비추면 프리즘을 통과하면서 공기와 유리에서 빛의 속력이 변하 는 현상으로 인해 빛의 경로가 꺽이는 ‘굴절’이 발생한다.그런데 백색광에 포함되어 있는 다양한 색깔의 빛들이 굴절되는 각도가 다르다.이는 다양한 색깔의 빛들이 진동수가 다르기 때문인데, 프리즘을 들어갈 때 한번 굴절이 일어나고, 프리즘을 빠져 나올 때 또 한번의 굴절이 일어난다. 이 두 번의 굴절과정에서 각 색깔마다 굴절되는 각도가 달라 다른 방향으로 빠져나오게 된다. 따라서 빛이 도달하 는 곳에서 모든 색깔이 펼쳐져 무지개색을 띠게 된다. 이러한 현상을 분산이라고 한다.즉, 분산이란 백색광이 프리즘을 통과할 때 굴절되면서 각 색깔의 진동수차이로 인해 색깔이 펼쳐지는 것을 말한다.? 회절격자란 아주 많은 선이 그어진 유리판을 의미한다.구체적으로 설명하면, 유리판을 불에 그을리면 검게 그을음이 생긴다. 여기에

자연과학| 2009.03.18| 12페이지| 2,000원| 조회(303)

분광, 프리즘, 파장, 방전관

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