간이 분광기를 이용한 빛의 스펙트럼 분석 방법

빛은 여러 파장의 전자기파로 구성되어 있으며, 각 파장은 서로 다른 색으로 인식됩니다. 이 빛을 분해해 파장의 구성 성분을 분석하는 장치를 분광기(Spectroscope)라고 합니다. 분광기를 통해 백색광 속에 포함된 다양한 색의 스펙트럼을 관찰할 수 있으며, 이는 물리, 화학, 천문학 등의 분야에서 매우 중요한 실험 도구입니다. 이번 글에서는 일상 재료로 간단히 만들 수 있는 간이 분광기를 제작하고, 다양한 광원의 스펙트럼을 비교 분석하는 실험 방법을 소개합니다.

1. 실험 목표

- 간이 분광기를 제작하여 빛의 스펙트럼을 관찰한다.
- 광원의 종류에 따라 스펙트럼의 형태가 어떻게 달라지는지를 비교한다.
- 연속 스펙트럼, 선 스펙트럼, 흡수 스펙트럼의 개념을 이해한다.

2. 실험 준비물

• CD 또는 DVD (회절격자 역할)

• 검은색 도화지 또는 두꺼운 종이

• 작은 상자 (예: 종이상자, 휴지통)

• 커터칼, 테이프, 자, 연필

• 광원 (형광등, LED, 백열등, 태양빛 등)

3. 간이 분광기 제작 방법

1. 작은 상자 한쪽에 가로 약 2~3cm, 세로 0.3cm의 가는 틈(슬릿)을 만듭니다. 이는 빛이 일정 방향으로 들어오게 하는 역할을 합니다.

2. 상자 반대쪽 측면 또는 윗면에는 CD 조각을 45도 각도로 삽입할 수 있도록 사선 절개를 합니다.

3. CD를 사선으로 삽입하고 고정한 뒤, CD를 통해 들어오는 빛이 분산되어 스펙트럼이 보이도록 상단 또는 측면에 관찰 창을 만듭니다.

4. 빛이 슬릿을 통해 들어와 CD의 회절면을 통과하면서 분광되도록 구조를 조절합니다.

4. 실험 방법

• 분광기를 광원 앞에 두고 슬릿을 통해 빛이 들어오게 합니다.

• 관찰 창을 통해 CD 표면을 바라보면, 무지갯빛 스펙트럼이 퍼져 보입니다.

• 형광등, 백열등, LED, 스마트폰 플래시, 햇빛 등 다양한 광원을 비교해보며 각기 다른 스펙트럼을 관찰합니다.

5. 관찰 포인트

• 백열등: 연속적인 무지개 색 스펙트럼 (모든 파장 포함)

• 형광등: 특정 파장만 보이는 선 스펙트럼 (수은, 인 기반)

• LED: 특정 색만 강하게 보이는 좁은 대역의 스펙트럼

• 햇빛: 거의 연속 스펙트럼이지만, 어두운 흡수선(프라운호퍼 선) 관찰 가능

6. 예시 관찰 기록

광원	스펙트럼 유형	관찰된 색상 범위	특징
백열등	연속 스펙트럼	보라 ~ 빨강	무지개처럼 부드럽게 연결됨
형광등	선 스펙트럼	청록, 보라, 노랑 등 선 형태	불연속적인 밝은 선
LED 조명	부분 스펙트럼	푸른색 또는 노란색 중심	특정 색 강조됨

7. 실험 팁

• CD의 뒷면 은색 부분(데이터면)을 이용해야 회절 효과가 잘 나타납니다.

• 빛이 너무 강할 경우, 투명 필름이나 종이를 덧대어 밝기를 조절하세요.

• 슬릿의 간격이 너무 넓으면 스펙트럼이 흐릿해질 수 있으므로 1mm 이내로 얇게 제작하는 것이 좋습니다.

결론

간이 분광기를 통해 우리는 눈으로는 보이지 않던 빛의 구성 요소를 직접 관찰할 수 있으며, 각 광원의 물리적 성질을 파악할 수 있습니다. 특히 스펙트럼은 화학 원소의 정체를 알아내는 ‘빛의 지문’ 역할을 하며, 원자 구조, 별의 조성, 에너지 효율 분석 등 다양한 과학 분야에서 활용됩니다.

이번 실험을 통해 빛의 본질과 파동 특성, 회절과 간섭 현상을 직접 체험하고, 물리학의 기본 원리를 쉽고 흥미롭게 학습할 수 있습니다. 창의적인 실험 장치와 다양한 광원을 활용하여 스펙트럼의 세계를 더 깊이 탐험해보세요!