일반물리학실험 | 마이켈슨 간섭계

 

 

 

TIP

 

 

마이켈슨 간섭계를 이용하여 헬륨-네온 레이저의 파장을 정확하게 측정하고 한편으로 빛이 에테르라는 매질을 통하여 전파되는지 여부를 밝힌 마이켈슨-몰리의 실험을 이해한다.

 

 

 

실험 배경

전자기파의 이론의 발달로 19세기 중엽에는 빛의 본성이 파동이라는 것이 거의 확실해 졌다. 그러나 우리가 주위에서 볼 수 있는 파동들은 일반적으로 그것이 전파될 수 있는 매질의 존재를 필요로 한다. 그러나 '빛'이라는 파동을 실어 나르는 매질이 무엇인지에 대한 규명이 되지 않았기에 19세기 후반의 물리학자들은 고민에 휩싸이게 되었다. 실체를 붙잡을 수 없는 이것을 '에테르(ether)'라고 일컫고 그 존재를 확인하기 위한 여러 종류의 실험이 이루어 졌다. 그중 대표적인 것이 마이켈슨(A.A.Michelson)과 몰리(E.W.Morley)에 의한 움직이는 에테르에서의 빛의 속도변화 관측 실험이다.

 

많은 기대에도 불구하고 빛의 속도 변화는 관측되지 않았고, 이 결과는 아인슈타인이 특수상대성이론을 만들어 내는 계기가 되었다. 현재로는 에테르가 존재할 이유가 없어졌고, 때문에 원래의 마이켈슨-몰리 실험은 그 자체로는 별로 가치가 없다. 그러나 그 실험장치를 마이켈슨 간섭계라하여 거리를 빛의 파장 정도의 정밀도로 측정한다든지, 또는 물질 속에서의 빛의 속도변화를 관측하여 물질의 굴절율을 측정하거나, 그로부터 여러 가지 다른 물리량들을 정확하게 측정하는데 두루 쓰이고 있다. (실제 마이켈슨은 이 간섭계를 이용하여 표준 1m가 카드늄을 포함하는 광원에서 방출되는 단일 적색광의 1,553,163.5 파장과 같음을 보였고 이 업적으로 1907년 노벨 물리학상을 받았다. 또한 meter 원기와의 비교에 의한 길이의 측정표준도 1961년 빛의 파장과 비교하는 그러한 방법으로 바뀌게 되었다)

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 그림처럼 기구를 배치한다. 기구들을 제대로 정렬하기 위해서 우선 다이오드 레이저의 볼록렌즈를 떼어 내고 전원을 올려 레이저 빛이 나오도록 한다.

 

 

2) 거울의 방향, 레이저광의 방향등을 서로 수직이 되도록 적절히 조정하면 레이저에서 나오는 광선이 스크린에 도달할 것이다. 이때 거울들에 붙어 있는 조절나사를 이용하여 두 점이 정확하게 일치되도록 한다.

 

3) 이 상태에서 레이저 앞에 볼록렌즈를 끼워 넣어 레이저광이 구면파를 이루도록 한다. 2)의 과정이 정확하게 되었으면 스크린에는 원형의 간섭무늬(동심원 형태)가 나타날 것이다. 만일에 간섭무늬가 찌그러졌다든지 직선에 가까우면 거울 등의 방향을 다시 미세 조정하여 원의 중심이 스크린의 가운데에 있는 원형이 되도록 하여야 한다.

 

4) 마이크로미터를 천천히 돌리면서 원형 무늬의 변화를 관측한다.

 

 

5) 마이크로미터를 계속 돌리면서 오므라드는(혹은 퍼져나가는) 무늬의 개수를 세어준다. 시작할 때 마이크로미터의 눈금을 읽고, 끝날 때 읽어 거울의 이동거리도 구하도록 한다.

 

6) 반대 방향으로 마이크로미터를 움직여서 위와 같은 일을 되풀이 한다. 5)번의 반복 실험을 통하여 평균으로 데이터 계산에 사용한다.

 

7) 그 개수와 거울의 움직인 거리로부터 레이저광의 파장을 계산한다.

 

 

 

[일반물리학실험]마이켈슨 간섭계 레포트