레이저 회절 실험을 통한 파장 측정 실험

빛은 직진하는 성질 외에도 파동처럼 회절(diffraction)과 간섭(interference) 현상을 보입니다. 이러한 회절 현상을 이용하면 빛의 파장(wavelength)을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 특히 레이저는 단일 파장의 빛을 방출하므로, 회절 실험에 매우 적합합니다. 이번 글에서는 간단한 레이저 회절 실험을 통해 빛의 파장을 직접 측정하는 방법을 소개합니다.

1. 실험 목표

- 레이저와 회절격자 또는 좁은 슬릿을 이용해 빛의 회절 패턴을 관찰한다.
- 회절 무늬의 간격을 측정하여 레이저 빛의 파장을 계산한다.
- 파동의 간섭 및 회절 원리를 실험적으로 이해한다.

2. 실험 준비물

• 레이저 포인터 (빨강, 초록 등 단일 파장)

• 회절격자 (Diffraction grating, 500~1000 line/mm) 또는 얇은 슬릿

• 스크린 (흰 종이, 벽 등)

• 자, 줄자 (거리 및 간격 측정용)

• 고정 도구 (테이프, 스탠드 등)

• 계산기 또는 스프레드시트

3. 실험 원리

회절격자를 통과한 빛은 서로 간섭하여 밝고 어두운 무늬(간섭무늬)를 생성합니다. 이때 중심에서 벗어난 밝은 부분의 위치는 다음 공식으로 계산됩니다:

$$d \cdot \sin\theta = n \lambda$$

여기서,

• $d$: 회절격자의 선 간격 (1/격자수)
• $\theta$: 회절 각도
• $n$: 회절 차수 (1, 2, 3...)
• $\lambda$: 빛의 파장

거리 $L$만큼 떨어진 스크린에서 회절무늬 중심으로부터 n번째 밝은 점까지의 거리 $x$를 측정하면:

$$\tan\theta \approx \sin\theta \approx \frac{x}{L} \quad \Rightarrow \quad \lambda = \frac{d \cdot x}{L \cdot n}$$

4. 실험 방법

1. 레이저 포인터를 고정하고, 그 앞에 회절격자를 수직으로 세웁니다.

2. 격자와 스크린 사이의 거리 $L$을 측정합니다 (예: 1.0 m).

3. 레이저를 켜고 회절격자를 통과시켜 스크린에 간섭 무늬가 나타나는지 확인합니다.

4. 중심 밝은 무늬(0차)에서 좌우 1차, 2차 밝은 무늬까지의 거리 $x$를 측정합니다.

5. 측정한 값을 이용해 파장 $\lambda$을 계산합니다.

5. 예시 데이터 및 계산

측정항목	값
회절격자 간격 $d$	1 / 600 mm = 1.67 × 10-6 m
스크린 거리 $L$	1.00 m
1차 무늬 거리 $x$	0.19 m
계산된 파장 $\lambda$	$$\lambda = \frac{1.67 \times 10^{-6} \cdot 0.19}{1.00 \cdot 1} = 3.17 \times 10^{-7} \text{ m} = 317 \text{ nm}$$

이 결과는 레이저 파장이 317 nm로 측정된 예이며, 실험에 따라 오차를 줄이면 650 nm(빨간색 레이저), 532 nm(초록색 레이저) 등에 근접하게 나옵니다.

6. 실험 팁

• 스크린이 멀수록 측정 정확도가 높아지므로 가능한 멀리 두는 것이 좋습니다.

• 레이저 빔이 수평을 유지하고, 회절격자에 수직으로 입사하도록 고정하세요.

• 실내 조명을 줄이면 회절 무늬가 더 잘 보입니다.

• 양쪽 무늬를 동시에 측정하여 평균을 내면 오차를 줄일 수 있습니다.

결론

레이저 회절 실험은 파동의 회절, 간섭 원리를 이용해 눈에 보이지 않는 빛의 파장을 직접 측정해볼 수 있는 정밀한 실험입니다. 간단한 실험 도구만으로도 매우 과학적인 측정을 수행할 수 있으며, 물리학에서 파동의 본질을 이해하는 데 큰 도움이 됩니다.

이 실험을 통해 학생들은 파동 방정식과 회절 현상을 실생활 빛에 적용하는 경험을 하게 되며, 정량적인 측정 능력과 실험 분석 능력을 함께 키울 수 있습니다. 다양한 색의 레이저를 사용하여 파장 비교 실험을 진행해보는 것도 좋은 확장 실험입니다.