이중 슬릿 간섭

고등학교물리유한한 폭을 가진 두 슬릿의 프라운호퍼 간섭: I = cos²(πd sinθ/λ) · sinc²(πa sinθ/λ)

이 실험 소개

1801년 토머스 영은 좁은 슬릿 두 개에 빛을 비추고 스크린에 밝고 어두운 무늬가 줄지어 나타나는 것을 관찰했습니다. 빛 입자가 직선으로 날아간다는 설명으로는 이를 설명할 수 없었지만, 파동으로는 설명할 수 있었습니다. 두 슬릿에서 나온 빛은 파동의 마루끼리 만나는 곳에서 서로 강화되고, 마루와 골이 만나는 곳에서는 서로 상쇄됩니다. 파장, 슬릿 간격, 스크린까지의 거리를 바꾸며 무늬 간격을 측정하고, 각 슬릿의 너비가 그 위에 더 넓은 패턴을 하나 더 만드는 방식도 살펴보세요.

학습 목표

  • 경로차와 중첩을 이용해 밝고 어두운 무늬를 설명하기
  • Δy = λL/d를 사용해 무늬 간격을 파장, 스크린까지의 거리, 슬릿 간격과 연관 짓기
  • 이중 슬릿 패턴으로 파장 측정하기
  • 단일 슬릿 회절 패턴과 이것이 이중 슬릿 무늬를 제한하는 방식을 설명하기
  • 백색광이 중앙에는 흰색 무늬를, 그 양옆에는 색이 있는 무늬를 만드는 이유를 설명하세요.

사용 방법

  1. 1기본 설정에서 자를 사용해 무늬 간격 5개에 해당하는 거리를 측정한 다음 5로 나누세요. 표시된 값과 비교해 보세요.
  2. 2파장을 빨간색에서 파란색으로 바꾸세요. 무늬 간격이 좁아지나요, 아니면 넓어지나요?
  3. 3슬릿 간격 d를 두 배로 늘리세요. 무늬 간격은 어떻게 되나요? 그런 다음 스크린까지의 거리 L을 두 배로 늘리세요.
  4. 4평균 밝기 표시를 켜세요. 두 슬릿에서 나온 빛이 서로 상쇄되는 선을 찾으세요.
  5. 5슬릿 하나만 사용하도록 전환하고 슬릿을 더 좁게 만드세요. 중앙 띠가 넓어지는 이유는 무엇인가요?
  6. 6두 슬릿으로 돌아가 d를 a의 정확히 5배로 설정하세요. 중앙 띠 안에 밝은 무늬가 몇 개 있나요? 어느 차수의 무늬가 빠져 있나요?
  7. 7백색광을 선택하세요. 색이 있는 각 무늬의 안쪽에는 어떤 색이 있나요? 그 이유는 무엇인가요?

모델

밝은 무늬: 광로차가 파장의 정수배이다
어두운 무늬: 광로차가 파장의 홀수 반파장 배수이다
먼 스크린에서의 무늬 간격(소각 근사)
폭이 a인 단일 슬릿의 어두운 무늬(n = 1, 2, 3, ...)
이중 슬릿 무늬의 밝기: 회절 포락선 안에 있는 간섭 무늬

가정

  • 스크린은 슬릿 간격에 비해 충분히 멀리 있고(프라운호퍼 회절), 빛은 결맞으며 평면파로 입사한다.
  • 두 슬릿의 폭은 같고 같은 세기로 빛을 받는다. 각 무늬의 밝기는 중앙 최댓값에 대한 상대적인 값으로 표시된다.
  • 백색광은 400~700 nm 범위의 밝기가 같은 31개 파장으로 모델링하며, 각 파장은 고유한 무늬를 만들고 그 무늬들이 서로 더해진다.
  • 왼쪽의 파동 그림은 개략도이다. 실제 파장은 너무 작아 보이지 않으므로 수만 배 확대해 그렸다.

수업에서 해 보기

  1. Q1파장 600 nm의 빛을 간격이 0.30 mm인 슬릿에 통과시켜 2.0 m 떨어진 스크린에 비춘다. 무늬 간격을 구하시오.
  2. Q2무늬가 나타나려면 왜 두 슬릿에서 나온 빛이 결맞아야 하는가?
  3. Q3한 학생이 무늬 간격 10개의 길이를 21 mm로 측정했다. L = 1.5 m, d = 0.45 mm일 때 파장을 계산하시오.
  4. Q4한쪽 슬릿을 가리면 무엇이 보이는가?
  5. Q5이중 슬릿 공식만 보면 무늬가 모두 똑같이 밝아야 하는데, 왜 중심에서 멀어질수록 무늬가 어두워지나요?

자주 묻는 질문

슬릿 간격이 작을수록 무늬 간격은 왜 더 넓어지나요?

두 슬릿 사이의 경로차는 d sinθ입니다. d가 작으면 경로차가 파장 하나에 도달하기까지 더 큰 각도까지 가야 합니다. 따라서 다음 밝은 무늬는 중심에서 더 멀리 생깁니다.

간섭과 회절의 차이는 무엇인가요?

둘 다 파동이 합쳐지는 현상입니다. 간섭은 보통 두 슬릿처럼 몇 개의 서로 분리된 광원에서 나온 파동을 뜻합니다. 회절은 하나의 개구부 전체에 걸친 모든 지점에서 나온 파동을 뜻하며, 이 파동들이 퍼져 넓은 포락선을 만듭니다.

전자에도 이 실험이 성립하나요?

네. 전자, 중성자, 심지어 큰 분자도 이중 슬릿에 한 번에 하나씩 보내면 드브로이 관계식 λ = h / p로 주어지는 파장을 가진 동일한 무늬 패턴이 형성됩니다.