간이분광기실험안내서 < 학생용 > 2008 년 1 월 서울대학교물리 천문학부 채종철, 안광수 1. 이끄는말 별은무엇으로만들어졌을까? 인류가이물음에대한답을찾은것은 1 백년남짓밖에되지않았다. 답은별빛의스펙 트럼에있었다. 스펙트럼은별이무엇으로만들어졌는지는물론이고, 얼마나뜨거운지, 어떻게움직이는지등의별에대한다양한정보를담고있다. 현대천문학의핵심은태양, 별, 성운, 은하등의천체에서나오는빛의스펙트럼을분 석하여천체에대한정보를알아내는것이다. 빛의스펙트럼을얻는장치를분광기라고하며, 천체에서나온빛의스펙트럼을얻는 장치는천체분광기라고한다. 2. 실험목표 이실험에서학생들은회절격자를이용한간이분광기를제작하여, 여러가지광원의 스펙트럼을관측하게된다. 이과정을통해학생들이배울것은다음과같다. 1) 회절격자에의해만들어지는스펙트럼을살피고그원리를이해한다. 2) 스펙트럼의분산과분해능의개념을이해한다. 어떤분광기가좋은분광기인가? 3) 광원에따라스펙트럼이어떻게달라진다는것을눈으로확인한다. 4) 원소에따라고유한분광선이있음을확인한다. 5) 태양의스펙트럼에서프란운호퍼선들을찾아본다. 태양에어떤원소가있을까? 그과학적증거는무엇인가? - 1 -
3. 실험 I: 회절격자 가. 준비물 : 실험기록용노트와필기구, 못쓰는 CD, 회절격자 (500 선 /mm, 1000 선 /mm) 각각학생수만큼. 반사를잘하는원반모양의쟁반. 나. 실험방법 1) CD 에형광등불빛을비춰어떻게보이는지관찰해보자. 교수 / 조교의지도에따라살펴보자. (1) 무엇이보이나? (2) 어떻게해야스펙트럼을잘볼수있나? (3) 스펙트럼의모양은어떻게생겼나? (4) 색은어떤순서로있나? (5) 스펙트럼의색이연속적으로있나, 불연속적으로있나? 2) 쟁반은빛을받아도스펙트럼이형성되지않는다. CD 는어떤특성때문에스펙트럼을만들어내는것일까? 3) 회절격자 (500 짜리 ) 에형광등불빛을비춰어떻게보이는지관찰해보자. 교수 / 조교의지도에따라살펴보자. (1) 스펙트럼을볼수있나? 어떻게해야보일까? (2) 스펙트럼의색은어떤순서로배치되었나? (3) 모두몇개의스펙트럼이보이나? - 2 -
(4) 회절격자를돌리면스펙트럼이어떻게달라지는지관찰해보자. (5) 밀도가 1000 인회절격자와 500 인회절격자에서보이는스펙트럼은어떻게다른가요? 4) 회절격자와 CD 의공통점은무엇일까? 차이점은무엇일까? 다. 회절격자가스펙트럼을만들어내는원리가무엇일까? 4. 실험 II: 간이분광기제작 가. 준비물 : 하드보드지 ( 앞은검고뒤는밝은것 ), 회절격자, 칼또는가위, 검정테이프, 자, 모눈종이 나. 박스만들기 하드보드지의밝은면에다음과같은전개도를그린다. 짧은변은각각 6cm, 긴 변은각각 15cm 로한다. 우선전개도바깥의실선대로가위나칼로잘라낸다. 20cm 12cm 박스의앞뒷면에해당하는두면에각각슬릿과눈을댈수있도록구멍을낸다. 추가로슬릿이위치할면의왼쪽에네모난구멍을낸다. 이는분광의파장을측정하기위한 눈금으로활용될것이다. 자세한그림은아래와같다. - 3 -
모눈종이를구멍의크기보다조금더크게 (3cm X 8cm) 잘라구멍의밝은면에붙이고테 이프로가장자리를막는다. 아래그림은밝은면에서봤을때모습이다. 다. 슬릿만들기 색마분지의가운데부분에칼과자를이용하여다음과같은칼집을낸다. 슬릿의폭은약 0.5mm 로한다. 라. 회절격자붙이기 - 4 -
전개도의밝은면이위로향한상태에서점선으로된접는부분을따라접는다 ( 종이가두 꺼우므로접는부분을칼로한번그어주는것이좋다.). 박스의옆면을검은테이프로붙이 고뚜껑은테이프를붙이지않아열고닫을수있게한다. 박스의내부에회절격자를붙인다. 눈구멍에밀착시켜붙이면된다. 마지막으로검은마분지나테이프에펀치로구멍을내어눈구멍을막는다. 마. 분광의확인 뚜껑을닫고펀치구멍을통해광원을보자. 슬릿에광원이보인다고판단되면, 분광기를아주약간만왼쪽으로돌려본다. 슬릿의왼쪽에다음과같은분광이나타날것이다. 분광이잘나타난다고판단되면, 분광기의뚜껑을닫고테이프로밀봉시킨다. - 5 -
바. 간이분광기비교 다른사람들이만든분광기와내가만든분광기를비교해보자. 성능에차이가있나? 있다 면그이유가무엇일까? HSCfA 에서만든 STAR Spectrometer 와비교해보자. 성능에차이가있나? 있다면그이 유가무엇일까? CD 를이용한샘플분광기를살펴보자. 어떤차이가있나? 그림 14 CD 를이용한간이분광기 5. 실험 III: 여러가지실험실광원의스펙트럼 이제여러가지광원을분광기로관찰해보자. 직접눈으로보거나, 카메라를사용해스펙트 럼사진을얻는다. 색연필을써서스펙트럼을스케치해보고주요특징들을기록해보자. - 6 -
가. 준비물 : 실험기록용노트와필기구 ( 색연필 ), 여러가지광원 ( 백열등, 형광등, 수은등, 나트륨등 ). 간이분광기. 카메라 나. 백열등에서나오는빛의스펙트럼의특징은무엇인가? 다. 형광등에서나오는빛의스펙트럼의특징은무엇인가? 라. 수은등에서나오는빛의스펙트럼의특징은무엇인가? 마. 나트륨등에서나오는빛의스펙트럼의특징은무엇인가? 바. 수소등에서나오는스펙트럼은어떤특징이있을까? 사. 광원에따라, 스펙트럼이달라지는이유가무엇일까? 아. 위의여러가지스펙트럼에보이는분광선들이어느원소에서나온것인지, 파장이각각어떻게되는지를다음표를참고해서확인해보자. - 7 -
색 파장 nm 원소 어떤광원에서보이는가 보라색 393 Ca II 보라색 397 Ca II 보라색 415/420 Ar 보라색 405 Hg 남색 434 H 남색 435 Hg 하늘색 486 H 초록색 498 Na 초록색 517 Mg 초록색 527 Fe 초록색 546 Hg 노랑색 577/579 Hg 주황색 589/590 Na 빨강색 656 H 빨강색 697 Ar 자. 간이분광기의슬릿폭을변화시켜가며수은등스펙트럼을관찰해보자. 어떤변화가있는가? - 8 -
6. 실험 IV: 태양스펙트럼의프라운호퍼선 가. 프라운호퍼선 19세기초반프라운호퍼는태양의스펙트럼을처음체계적으로관찰하여스펙트럼에매우많은흡수선들이있음을알아냈다. 그는밝은흡수선들을붉은색에서시작해 A, B, C, D, 등의번호를붙였다. 그림 15 프라운호퍼의태양흡수선스케치 나. 태양스펙트럼을얻는법 슬릿에태양빛이들어오게하여태양의분광을할수있다. 주의할점은, 태양빛이직접슬릿에입사하면시력을손상시킬수있으므로절대태양빛이직접슬릿이나분광기에들어오지않도록해야한다. 이를위해몇가지방법이있다. 첫번째는, 하얀종이 (A4지등 ) 를태양이비치는바닥에놓고종이에반사되는태양빛을분광기로관찰한다. 즉, 분광기의슬릿은종이를가리키도록한다. 두번째는태양근처의밝은하늘을보는것이다. 세번째는하늘에있는흰구름을보는것이다. 분광기를통해서관찰하면슬릿의왼쪽모눈종이의위에연속스펙트럼과선스펙트럼이나타날것이다. 분광을자세히들여다보고어떤특성이있는지살펴보자. 다. 태양스펙트럼을실험실에있는광원에서얻은스펙트럼과비교하여공통점과차이점을말해보자. - 9 -
그림 16 기준태양스펙트럼 라. 태양스펙트럼에서흡수선을찾아보자. 몇개가보이는가? 어떤색을갖고있는가? 파장은얼마일까? 이흡수선들은어떤원소가내는것일까? 마. 스펙트럼을통해알수있는태양구성원소들은무엇일까? 바. 이간이분광기를가지고밤에보이는별들의스펙트럼을관찰할수있을까? 밤에보이는별들의스펙트럼은태양의스펙트럼과어떻게다를까? 다르다면그이유가무엇일까? 7. 보고서작성및발표 각단계실험과정및생각했던것을기록해뒀다가완성된보고서를작성해보자. 보고서 작성하는순서는 1) 서론 ( 실험에대한동기와목적등기술 ) 2) 과정 ( 실험과정기술 ), 3) 결과 4) 논의 ( 배운점, 어려운점, 발견한점, 의문점, 새로운생각등 ) 및결론이다. 실험과정에서배운것, 발견한것, 궁금한것등을여러사람들에게발표해보자. - 10 -