광자 (1) - 영의 이중슬릿 실험 - 보강간섭과 상쇄간섭

물리학에서 가장 중요한 발견 중 하나는 물질의 입자와 파동의 이중성 입니다.

입자로 여겨지던 전자는 파동으로서의 성질 또한 가지고 있음을 확인하였습니다.

전자빔은 회절무늬나 간섭 무늬를 만들어냅니다. 따라서 빛에 의해 발생하는 간섭이나 회절을 이해하기 위해서는

빛의 전자기적 성질을 이해하여야 합니다.

우선 파동으로서의 빛에 대해 알아보겠습니다.

전자기파(electromagnetic wave)를 기준으로 하여 보게되면, 

 

다음과 같습니다.

여기서 전계 electric field와 자계 magnetic field는 서로 수직이고, 이러한 파동의 전파 방향(x) 과도 수직입니다.

이렇게 볼 수 있는 전자기파는 빛의 속도 c로 이동합니다.

 

이러한 형태로 파동의 모습을 띄는데, 빛의 파동적인 성질을 이해하면 간섭이나 회절 현상또한 이해할 수 있습니다.

먼저 간섭에 대해 생각해 보면, 같은 위상의 파동이 겹쳐지면 보강간섭(constructive interference)이 됩니다.

반대의 경우 상쇄 간섭(destructive interference)이 일어나게 됩니다.

constructive interference일 경우 밝게 되고, destructive interference는 어두워 집니다.

 

영의 이중슬릿 실험 (Young's double slit) 에서 이 모습을 보면,

간단하게, 그림으로

다음과 같이 2중의 슬릿 (그림에서 파랑색) 의 구멍을 통해 빛이 빠져나가 오른쪽 스크린에 밝고 어두운 무늬가

나타나게 됩니다. (오른쪽 스크린에서 밝은부분과 어두운 부분을 확인할 수 있음)

이는 위에서 말한, 간섭 때문인데, 보강간섭이 일어난 부분은 밝고, 상쇄간섭이 일어난 부분은 어두운 것입니다.

이때 식으로, 위의 구멍중 \(S_1\)구멍에서 나온 파동과 \(S_2\)구멍에서 나온 파동의 위상이 같을 경우

파장의 경로차가 \(\lambda\)의 정수 배에 해당합니다. 빛이 도달한 부분을 P라고 하면,

즉 n이 정수일때 \(S_1\)P-\(S_2\)P=n\(\lambda\)가 됩니다. (constructive interference)

여기서 SP는 경로를 의미합니다

두 파동의 위상이 정반대라면

\(S_1\)P-\(S_2\)P=(n+\(\frac{1}{2}\))\(\lambda\) 입니다. (destructive interference)