집에서 이중슬릿 실험 - jib-eseo ijungseullis silheom

(2)편에서는 물결파의 간섭 실험에 대해서 알아보았습니다... 그죠?? 이번주에 비가 엄청 많이 내렸는데, 잠시만요!  물결파의 간섭효과 동영상을 하나 더 보고 가실게요!!  저희 대학교 공과대학에서 수업들으러 가던 도중에 찍었던 생생한 영상입니다...

 지난번 포스팅에서 이야기 했던 수많은 결과물들의 전제조건은 물결파는 하나의 파동이었기때문에, 물결파가 만나면서 보강간섭과 상쇄간섭을 일으켜 아주 오묘한 무늬를 만드는 것이라고 봤을 겁니다.

잠시.. 관점을 빛에 대해 돌려 이야기해봅시다.

 1800년 대의 시절로 돌아가보면 그 때 그 시절에 가졌던 한 가지의 의문점은.. 바로 '빛(Light)' 에 대한 것이었습니다.  지금도 우리는 빛 때문에 살고 있고, 불꽃놀이 같은 걸 보면서 경이로워 하고 아름다워 하고 있죠. 북한의 경우는 전력을 밤에 끊어버리기 때문에 밤엔 무조건 닥치고 잔다고 하더군요...ㅋ 바로 사진 한큐로 보여드립니다.

좀 얘기가 삼천포로 빠져들긴 했는데 옛날 사람들이 궁금해 했던 것도..

요거였습니다... 그땐 빛에 대한 어떠한 이론이 막 만들어지기 시작하긴 했지만, 지금만큼 연구가 되지 않았는데 , 1801년 과학자 영(Young)은 매우 놀라운 발견을 하나 하게 됩니다. 오늘은 그걸 이야기하려고 합니다.

'영' 그러니까.... 이름이 젊나? 뭐 할텐데, 영(Young, Thomas : 1773 ~ 1829) 이라고 하는 물리학자는 간섭실험을 통해 빛에 대한 인식이 바뀌게 되는 전환점을 제공하였스니다. '간섭 실험' 이라는 말에서도 보여주듯이 빛의 경우도 '보강간섭'과 '상쇄간섭' 을 일으킨다는 사실이었습니다. 다시 말해 빛도 이렇게 간섭을 일으킨다는 것은 빛이 바로 '파동성' 을 띈다는 것을 의미합니다. 영은 1801년 이 실험을 진행했을 겁니다.

영의 실험 장치는 대략 이런 구조를 띄고 있습니다.

B와 D사이엔 빛이 지나갈 수 있도록 구멍이 뻥 뚤려 있습니다. 구멍이라고 하면... 좀 그러니까, 고풍스럽게(?) 슬릿(Slit)이라고 합시다. 슬릿이 2개 있기 때문에, 이 실험을 영의 이중 슬릿 실험이라고도 부르기도 합니다. 구멍 2개에다가 빛을 비추는 겁니다. 그리고, 구멍을 나간 빛은 스크린에 투영되게 되는데,

좁다란 구멍을 통과한다고 하면 빛은 보통, 이런 양상을 띌거라고 추측할 있을 겁니다.

당연히 빛은 직진하니까 광원의 구멍을 통과한다면 광원의 구멍에 대해 직진해서 스크린엔 점 2개로 딱 비춰질거란 건데, 그게 아니었습니다.

빛이 투영된 모습이라면...  *아래 그림처럼 모습이 나타나야 할 것입니다....  ㅋㅋㅋ 간지나죠?

필자는 이 실험을 직접! 해보았습니다.

  스마트폰에는 카메라 기능이 내장되어 있고, 카메라엔 플래쉬 기능이 탑재되어 있습니다. 이 플래쉬가 광원이 되는 것이고, 두터운 종이에 칼집을 내서 구멍 두 개를 뚫어냅니다. 그다음 광원이 나오는 곳에다 잘 맞춰서 이중 슬릿 사이로 빛이 잘 들어갈 수 있게 위치를 조절해 줍니다.  아래 사진 처럼 제작해줍니다.

▲ 스마트폰의 광원이 이중 슬릿으로 잘 들어갈 수 있게 빛의 위치를 잘 잡아준다.

(그러나... 간섭 무늬가 잘 안나와서, 실패했다.)

그러면, 빛이 이제 슬릿을 통과해서 어디로 퍼져 나갈텐데 빛이 나오는 앞에 어두운 공간이어야 빛이 어떻게 진행하는지 알 수 있겠죠. 예상대로 직진하는 모양이라면 빛은 딱 2군데에서 밝아져야 하지만... 넓게 퍼져나가는 개형을 띕니다.그런데.. 이렇게 실험을 진행한 결과... 원하는 간섭 무늬가 제대로 나오지 않았습니다....

 (화질이 좋지 않은 점은 많이 양해해주세요... 라고 말하고 올리기도 되게 민망할 정도....)

 이 실험은 두꺼운 종이를 칼로 잘랐기에 두꺼운 종이의 잘려진 흔적이 남는다거나, 하는 문제도 있었고... 다른 틈새를 통해 빛이 들어가는 문제도 있고.. 여러가지로 좋은 결과가 안나왔습니다. (토요일날 발간할 포스팅이 그래서 하루 미뤄졌습니다...;;)

일단 정확한 간섭 무늬를 잘 얻기 위해선 슬릿의 간격, 그리고 빛이 들어가는 걸 잘 조절해줘야 하는데, 구멍은 2개 뚫어놓고 1개의 슬릿으로 들어간다던가... 하는 여러가지 시행착오를 겪었습니다.

▲ 원목(미세한 간격이 2개 뚫려져 있음) 간섭무늬는 형성되었으나, 빛이 하나의 슬릿밖에 만들어가서 단일 슬릿 실험과 같은 결과를 얻는다.

(슬릿은 진짜 잘 구성되어져 있는데, 스마트폰으로 광원을 비추기엔 너무 간격이 컸다)

여기서 단일 슬릿 조건과 이중 슬릿 조건을 구분지으셔야 하는데, 단일 슬릿에서 형성되는 간섭 무늬의 패턴과 이중 슬릿에서 나오는 간섭 무늬의 형태는 다르기 때문에, 무엇을 실험했는지...를 또 잘 구분하셔야 합니다.... 결국 돈을 들이지 않고, 어떻게 해결할까... 하다가 아주 고심 끝에 아이디어를 냈습니다.

(날과 날 사이에 슬릿을 비춰볼까 200원짜리 일회용 면도기를 샀는데.. 우라질!  이건 칼날이 분해가 되는게 아니었습니다...;;) 면도날을 살껄 그랬나....;;

이 슬릿 사이의 간격 때문에,(의외로 단순한 고민이었을터인데도) 시간을 많이 끌어서... 결국 최종적으로 아이디어를 낸 것은, 바로.... 이거였습니다.. ㅋㅋㅋㅋ

이건 어떤 거냐면, 2장의 카드(우리가 일상적으로 말하는 카드인데, 못쓰는 카드) ... 1장의 보안카드(!)(일반 카드보다 얇음)를 사이에 끼어 넣는데, 슬릿을 만들어야 하니까 신형 10원짜리 동전을 사이사이에 끼어넣어 총 2개의 슬릿을 만들었습니다. 아주 얇은 슬릿이죠... 그리고, 불을 퍽 끈 다음 불빛을 비춰보는 겁니다..... 여기선, 아주 만족할 만한 무늬들을 얻었습니다.

▲ 광원이 슬릿으로 잘 들어갈 수 있도록 빛의 위치를 설정해주고, 투영되는 방향은 (간섭무늬를 볼 수 있도록) 어둡게 해준다.

여기서 스크린은 저희 집 문짝입니다. ^^

여러 각도와 광원의 위치, 슬릿과 스크린 사이의 거리 등을 조절해 나가면서 여러가지 무늬들을 만들어서 가장 이쁜 간섭 무늬를 얻어보았습니다.

 밝아졌다 어두워졌다 밝아졌다 어두워졌다.. 하는 그 간섭 무늬를 잘 얻어낼 수 있어서 기분이 좋았습니다.

이 실험의 중요한 의의는 바로

라는 겁니다.

이것은 두가지 측면에서 해석됩니다. 지금은 간단하게만 이야기할거지만, 다음(2)편의 포스팅에선 수식을 이용해서 멋있게 다룰겁니다.

 ①밝아졌다가 어두어졌다고 하는 것은 즉 밝은쪽은 보강간섭과, 어두운쪽은 상쇄간섭을 하고 있다는 의미로 볼 수 있습니다. 즉 이렇게 간섭을 한다는 것 자체는 파동이라고 볼 수 있는 강력한 근거를 가지고 있습니다.

 ②빛은 정확히 그 구멍의 슬릿에만 꽂히는게 아니라, 슬릿밖에 다른 곳으로도 비춰집니다. 이 현상은, '소리' 를 비유해보면 되는데, 아주 조금의 틈새라도 있으면 시끄러운 소리가 들리는 것과 같은 이치입니다. 즉 음파도 하나의 파동으로 볼 때 조그만 구멍을 통과해서까지 우리 귀로 전달되듯이 빛도 마찬가지 논리라는 겁니다. 조금의 틈새가 있다고 그 틈새에만 왔다갔다 하는게 아니라, 그 틈새를 초월해 다른 구간까지도 빛을 전달한다는 뜻입니다.

▲ 시끄러운 소리에 아무리 귀를 틀어막아도 소리가 나는 것은 미세한 공간이라도 있으면 그 공간을 통해서라도 걸쳐 전달되기 때문이며

빛의 경우도 마찬가지로 볼 수 있다.

오늘은, 이 실험때문에 스트레스도 되게 많이 받고, 짜증도 많이 내고 그랬었는데요.

간신히 연구해서 실험을 완성해내고 포스팅을 작성해내니 기분은 뿌듯하군요!

다음 (2)편에서는 이 간섭실험에 대해서 더 정량적으로 분석해 보는 시간을 가질 겁니다.

글 읽어주져서 감사하고, 다음편에서 뵙시다.

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 *  이미지 출처 : 스티븐 호킹(Stephen Hawking) 『위대한 설계』 P.95 에 있는 내용 직촬