글로벌 세계 대백과사전/수학·물리·화학·실험/물리/빛과 파동/빛의 회절

빛의 회절

평행 광속의 도중에 구멍이 뚫린 장애물을 놓으면, 그 뒤의 칸막이에는 구멍과 같은 모양의 밝은 부분이 생긴다. 이 구멍의 크기를 작게 하면 밝은 부분이 작아지지만, 구멍의 크기보다 조금 바깥쪽으로 튀어 나오게 된다. 구멍을 더 작게 하면 밝은 부분은 구멍의 크기보다 훨씬 커진다. 이와 같이 기하학적인 그림자 부분에 빛이 돌아 들어가는 현상을 회절이라고 한다. 이 현상은 수면의 파동 등에서 잘 볼 수 있고, 빛이 파동이라는 것을 나타내는 한 증거이다. 회절 현상은 크게 둘로 나뉜다. 하나는 광원이나 상이 생기는 위치가 무한원인 경우로, 이것을 프라운호퍼 회절이라고 한다. 이것에 대해서 또 하나는 광원이나 상이 유한인 경우로 이것을 프레넬 회절이라고 한다. 프라운호퍼 회절은 취급하는 것이 간단하고, 실제로 실험할 때에는 렌즈나 거울을 이용해 평행 광선으로 만들면 쉽게 관찰할 수 있다.

슬릿에 의한 회절 회절

간단한 회절의 실험 회절

=-回折-實驗回折 현상을 간단히 보려면 다음과 같이 하면 된다. 집게손가락과 가운데손가락을 나란히 하여 눈에 가까이 대고 그 틈으로 멀리 있는 전구를 본다. 손가락의 틈을 점점 좁혀가면, 처음에는 전구의 모양이 보이지만, 전구가 보이지 않게 될 직전에서 전구의 아래 위로 빛이 연장된다. 즉, 손가락의 틈의 직각 방향으로 밝아진다. 이것이 회절이다.

단일 슬릿에 의한 회절

單一slit－回折 그림과 같이 폭이 좁은 슬릿 S를 평행 광선으로 비치고, 이것을 렌즈 L2에서 칸막이 P위에 결상시키면, 회절 줄무늬가 보인다. 이때 렌즈 L1은 평행 광선을 만들기 위한 것으로 그 초점 위치에 슬릿 S'를 놓는다. 이 S'도 폭이 너무 넓으면 안 된다. 지금 L1S'를 약 25㎝, L2P 100㎝, S를 0.09㎜로 한다면 S'는 0.3㎜ 이하여야 하고, 이것보다 폭이 넓으면 회절 줄무늬는 선명하지 않게 된다. 광원으로 레이저 광을 사용할 경우에는 렌즈 L1, 슬릿 S'는 필요없고 레이저광을 그대로 사용하거나 혹은 렌즈계를 사용해서 광속을 보다 평행하게 하여 사용하면 된다. 이 회절 줄무늬로부터 중앙의 밝은 부분의 폭은 양쪽 밝은 부분 폭의 2배가 되는 것을 알 수 있다. 이 슬릿에 의한 회절은 평행 광선을 사용하고 있으므로 프라운호퍼 회절이다. 이 회절 현상을 설명하려면 슬릿면상의 각점으로부터 호이겐스의 이차 파동을 생각해서 그것들이 간섭을 일으킨다고 생각하면 된다. 앞쪽의 그림에서 슬릿 AB를 같은 간격의 좁은 부분으로 나누어서 생각한다. 상면의 중심 P0에는 AB의 각 부분에서 같은 위상으로 빛이 모이기 때문에 빛은 강화된다. 다음 제1의 극소인 P1에서는 A로부터의 빛과 슬릿의 중심 O로부터의 빛에 λ/2의 위상차가 있으므로 빛은 서로 상쇄된다. A,O에서 같은 간격으로 나눈 좁은 간격 하나만큼 떨어진 점으로부터의 빛도 λ/2만큼 위상이 다르므로 빛은 상쇄된다. 이후에도 빛은 이와 같이 상쇄하기 때문에 슬릿은 전체적으로 빛은 상쇄되고 P1은 어두워진다. 이와 같은 것으로부터 슬릿의 양끝에서 P1로 가는 빛은 λ만큼 위상이 다르다는 것을 알 수 있다. 마찬가지로 제2의 극소의 빛의 경우는 슬릿을 넷으로 나누어서 생각하면 된다, 또, 제1의 극대인 위치의 빛은 슬릿을 셋으로 나누어서 그 중 두 개는 상쇄되고, 한 개가 남는 것으로 하면 된다.

분해능

매우 정밀하게 설계한 렌즈로 상을 만들어도 상은 한 점에 모이지 않는다. 그 극한은 회절에 의해서 정해진다. 즉, 렌즈에서 점광원의 상을 만들 때 빛이 회절하여 상이 점으로 되지 않고 넓게 퍼지게 된다. 결국 접근한 두 점을 분리하여 볼 수 있는 한계가 있으며, 이를 분해능이라 한다. 망원경에서는 대물 렌즈의 구경이 클수록 회절 무늬의 간격이 작고 분해능이 좋다. 현미경에서는 대물 렌즈의 구경이 초점 거리의 관계에서 제한을 받기 때문에 보통 2000배 정도의 분해능이 한계가 된다.