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[물리화학실험]굴절률 측정

1. 서론1.1 실험목적: Abbe 굴절계를 이해하고 Abbe 굴절계로 굴절률을 측정하여 그 분자의 구조를 결정할 수 있다.1.2 용어설명1.2.1 굴절률: 빛이 등방성(等方性)의 2매질(媒質)의 경계면에서 굴절할 때, 입사각 i와 굴절각 r 사이에 성립되는 스넬의 법칙(굴절의 법칙)에서 상수(常數) n의 값을 말한다. 이 굴절률을 제2매질의 제1매질에 대한 상대굴절률이라 하며, 제1매질이 진공인 경우의 n을 제2매질의 절대굴절률 또는 진공에 대한 굴절률이라 한다.제1,2매질의 절대굴절률을 각각 n1,n2라 하면, 제2매질의 제1매질에 대한 상대굴절률은 n2/n1(=n12)이다. 진공의 절대굴절률은 1이다. 맥스웰방정식에 따르면, 투명한 매질의 절대굴절률은 그 매질의 유전율과 투자율을 각각 A, μ라 할 때 n=vA득 로 주어진다.매질 중의 광속도와 굴절률과는 밀접한관계가 있으며, 진공 중의 광속도를 c라 하면 매질 중의 광속도는 c/n로 주어진다. 절대굴절률은 일반적으로 빛의 파장의 함수이며, 파장이 짧을수록 굴절률이 크다. 그 때문에 빛을 프리즘에 통과시켰을 때 분산현상이 일어난다. 등방성매질로부터 결정 등의 이방성매질로 굴절할 경우에는 복굴절을 일으키므로 굴절률은 스넬의 법칙을 따르지 않는다. 그리고 파장이 짧아지면 오히려 굴절률이 작아지는 현상도 있다. 일반적으로 물질의 굴절률은 파장이 증가함에 따라 감소한다. 또 같은 파장이라도 온도에 따라 값이 다르며, 그 밖에 기체에서는 압력의 영향도 받는다. 따라서, 어떤 물질의 굴절률을 엄밀하게 논할 때는 이러한 조건을 지시할 필요가 있다.1.2.2 전자편극: 전기장 안에서 원자 분자속의 전자분포가 변화함으로써 생기는 전기편극을 말한다. 분자를 전기장안에 넣으면 분자 내의 전기분포에 변화가 일어나고(유전편극), 유극분자(有極分子)는 전기장에 대해 방향을 바꾸는데(배향편극), 이 밖에 핵이 음극 방향으로, 전자가 양극 방향으로 이동하는(변위편극) 경우도 있다. 변위편극에서 핵의 움직임에 따른 부분을 원자편극, 전지지 않는다(즉 그 물질안에 그 물질을 똑같이 이등분할 수 있는 대칭면이 존재하지 않는다.) 예) 오른손과 왼손- 어떤 물질을 거울에 비친상과 그 물질이 겹쳐지지 않는다. 이때 그 물질과 거울상에 생긴 상과 관계를 "거울상 이성질체" 관계에 있다고 한다.- 화학적 성질은 같으나 광학적 성질이 서로 다르다.키랄탄소는: ②탄소-탄소의 모두 다른치환기가 있는 탄소젖산[그림8]◎ 베르셀리우스스웨덴의 화학자. 웁살라 대학에서 의학을 공부하였다. 그 당시 K. W. 셸레와 T. 베르이만이 있던 이 대학에서는 라부아지에의 연소이론에 관한 논의가 활발하였으며, 그 영향으로 화학의 길을 걷게 되었다.1800년 갓 발명된 볼타전퇴(電堆, 전기더미)가 웁살라에 소개되자 곧 자기 손으로 전퇴를 완성하였다. 대학을 졸업한 후 스톡홀름의 외과학교에서 무급(無給) 조수로 일하였으며, 광산왕(鑛山王) 히싱거 소유의 실험실에서 공동으로 염류수용액(鹽類水溶液)의 전기분해를 함으로써, 산성과 염기성 성분이 각각 양극(陽極)과 음극(陰極)에 모인다는 것을 밝혀냈다(1802). 이 실험으로, 모든 화합물이 음양(陰陽)의 전기를 가진 두 성분의 결합에 의한다는 전기 화학적 2원론(二元論)이 형성되었으며(1819), 이 생각은 후에 뒤마 등이 부정할 때까지 화학계를 지배하였다. 1803년 히싱거와 함께 세륨을 발견하고, 1817년 셀렌, 1828년 토륨 등도 발견하였다.생명의 화학적 과정이 전혀 알려지지 않았던 당시에, 혈액, 유즙(乳汁), 근육, 쓸개즙, 골수 등의 화학성분을 분석하여, 이를《동물화학강의》(1806∼1808)에서 정리하였으며, 1807년에는 육유산(肉乳酸)을 발견하였다. 또 J. 리히터의 화합량일정(化合量一定)의 법칙, 돌턴의 배수비례의 법칙에 큰 영향을 받아, 화합량과 원자량을 정밀하게 측정하였다. 그뿐만 아니라 유기물 분석도 연구하여, 분석장치를 개량하고, 수산화칼륨으로 탄산가스를 흡수하는 장치를 고안하여 유기분석을 진보시켰다. 라틴명(名), 때로는 그리스명의 머리글자를 원자기호일상에서는 물그릇 속의 수저가 굽어 보이는 등 수많은 예를 관찰할 수 있다. 또 렌즈나 프리즘은 빛의 굴절을 이용하는 것으로서 광학기계의 중요한 부분을 구성한다.굴절이 2개의 등방성(等方性) 매질의 경계면에서 일어날 경우, 그 방향에 관하여 스넬의 법칙(굴절의 법칙이라고도 한다)이 성립된다. 그러나 파동이 등방성 매질로부터 이방성(異方性) 매질로 나아갈 때는 보통 이 법칙이 성립되지 않으며, 경계면에서 굴절파가 둘로 나뉘어 이른바 복굴절 현상을 나타낸다.방해석의 결정을 통해서 물체를 볼 때 2중으로 보이는 것은 이 때문이다. 그리고 굴절뿐만 아니라 등방성 물질에서도 어떤 방향으로 압력을 가하거나 물질을 전기장 안에 놓으면 복굴절 현상을 일으킨다.빛의 굴절에 의한 허상[그림12]※빛이 굴절하기 때문에 생기는 현상· 물 속에 있는 물체가 떠올라 보인다.· 물에 잠긴 다리나 손이 실제보다 짧게 보인다.· 물에 비스듬히 꽂은 막대가 꺾여 보인다.· 어항 속에 있는 고기가 더 커 보인다.· 별이 반짝거린다.◎데카르트프랑스의 철학자이며, 수학자. 물리학자이기도 하다. 근세사상의 기본틀을 처음으로 확립함으로써 근세철학의 시조로 일컬어진다. 프랑스 중부의 관료귀족 집안 출신으로 생후 1년 만에 어머니와 사별하고 10세 때 예수회의 라 플레슈 학원에 입학, 프랑수아 베롱에게 철학을 배웠다. 1616년 푸아티에 대학에서 법학을 공부했다. 학교에서 배운 스콜라적 학문에 불만, 세상을 통해 배울 것을 결심하고 여행에 나섰다. 1618년에는 지원장교로서 네덜란드군에 입대했다. 수학자 베이크만과 알게 되어 물리수학적 연구에 자극을 받아 '보편수학(普遍數學)'의 구상에 이르렀다. 1620년 군대를 떠나 유럽 각지를 전전하다가 1625년부터 파리에 체재, 광학(光學)을 연구한 끝에 '빛의 굴절법칙'을 발견하였다.1629년 이후에는 네덜란드에 은거하며 철학연구에 몰두하여 형이상학논문 집필에 종사하였으나, 같은해 3월 제자로부터 환일(幻日) 현상의 해명을 요청받고 중도에 자연연구로 전향, 결어떤 매질의 굴절률 (공기 중에서 어떤 매질로 빛이 굴절할 때의 굴절률은 거의 절대굴절률과 같다.)◆공기(진공) -> 매질로 빛이 입사할 때의 굴절률◆가령 빛이 두 매질의 경계면에서 굴절하는 아유는 빛의 전파속력이 매질에 따라 다르기 때문이다. 매질 1에 서 빛의 속력을 2에서의 빛의 속력을 라 할 때, 매질 1에대한 2의 굴절률은 다음과 같다.◆, 특히 진공에서의 빛의 속력을 c라 하고 어떤 물질속에서의 빛의 속력을 이라하면 이때의 굴절률을 절대 굴절률 이라하고 다음과 같이 나타낸다.물질)} = {c_{1} over c_{2}} = {c over c_{물질}} = n_{물질~} = n_{1~} (빛이~ 진공에서~ 물질속으로 ~진행시의~ 굴절률) (6)--> 그러므로,◆매질1->2로 빛이 진행할때,(7)의 관계가 성립한다.*상대굴절률 : 매질 Ⅰ에서 ->Ⅱ로 빛이 진행할 때 매질Ⅰ에서의 광속을 ,빛의 파장을 매질Ⅱ에서의 속력을 , 파장을 라하면 빛이 굴절할 때 진동수는 변하지 않으므로◆제1매질에 대한 2매질의 상대굴절률 는 다음과 같다.= (8)◆ 따라서 굴절률이 다른 두 개이상의 매질이 서로 평행한 경계면을 이루고 있을 때 다음 관계식이 성립한다.◆ (9)*굴절율과 광속의 관계그림과 같이 매질Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ이 평행한 경계면을 이루고있고 여기에 입사광선이 차례로 굴절할 때 각 매질에서의 광속도를 라 할 때 세 개의 경계면에서의 굴절율은 다음과 같다.[그림19](10)(11)(12)따라서 굴절율 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.··=1, = (13)*겉보기 깊이[그림20] [그림21]물속에 있는 물체를 공기중에서 보면 실제의 깊이보다 떠보인다.굴절율 n인 액체속에 있는 물체P는 공기 속의 E에서 볼 때 깊이 에 있는것처럼 떠 보인다.즉, = nh (14)가 된다.※굴절율인 두 투명체에 의해 떠보이는 겉보기 깊이 는 각각의 겉보기 깊이의 합과 같다.(15)[그림22]◆ 굴절의 법칙(Snell's law)a. 입사광, 굴절광 및 법선은 같은 평면내에 있다.b.다. 돌이 광택이 날수록 좋아져 굴절계로 얻을 수 있는 수치가 더 명확해진다. 그러나 만약에 광택이 좋지 않으면, 공작석(malachite)나 능망간석(rhodochrosite)와 같이 더 부드러운 돌들을 검사할 때 알 게 될 것이지만, 굴절률 수치를 얻기가 불가능하지가 않다면 아주 어려울 수도 있다.대부분의 굴절계들의 주요 약점은 1.80보다 높은 굴절률을 지닌 돌들에 대해서는 수치를 나타낼 수 없다는 것이다. 기구들은 단순히 그런 높은 수치를 제공할 수 있는 능력을 지니고 있지 않다. 이것은 굴절계들은 다이아몬드, 풍신자석(zircon)과 같은 다이아몬드 유사들과 특정 석류석(garnet) 종류에서 그렇게 이름이 지어지는 소수들과 같은 돌들에는 유효하지 않다는 것을 의미한다. 그러나 Jemeter는 이러한 문제점을 갖고 있지 않으며, 1.80보다 높은 굴절률을 지닌 돌들에도 유효하기 때문에 종래의 굴절계들보다 뛰어난 장점을 갖고 있다.편리상, GIA Duplex II 굴절계를 사용한다. 만약에 다른 굴절계를 갖고 있다면 그 차이는 아마도 아주 작을 것이기 때문에 기본적인 절차는 여전히 적용될 수 있을 것이다.굴절계로 사용할 기법들은 돌의 표면과 광택 정도(degree)에 따라 약간 다르다. 우리는 우선 편평한 표면들과 좋은 광택을 지닌 돌들(패시트된(faceted) 청옥(sapphire)이나 홍옥(ruby)들과 같은 돌들)을 검사하는 기법이다.굴절계에 익숙해지도록 한다. 기구를 보면, 상부에 들어올리는 뚜껑이 있다는 것을 알 게 될 것이다. 뚜껑을 들어올리면, 길이 약 2 1/2인치(6.35 cm), 폭 1 1/2인치(3.81 cm)의 편평한 작업용 구역을 보게 될 것이다. 작은 직사각형 형태의 유리조각이 이 작업용 구역의 중심에 부착되어 있다. 이 유리조각을 반원형(hemicylinder)라고 한다. 유리는 부드러워서, 만약에 부주의하면 쉽게 긁히기 때문에, 반원형에 돌을 올려놓거나 내릴 때, 매우 조심스럽게 하는 것이 중요하다. 심하게 긁히면, 굴절계상다.

공학/기술| 2005.10.27| 49페이지| 1,500원| 조회(1,597)

굴절률측정, 굴절율, 아베굴절계, abbe, 굴절계

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