작은 것을 가려 보는 힘 (분해능)

Resolution and the diffraction limit

현미경 배율을 아무리 높여도 왜 어느 크기보다 작은 것은 또렷이 가려 볼 수 없을까요?

무슨 일이 일어났나

분해능은 붙어 있는 두 점의 상을 또렷이 나눠 보여 주는 광학 기기의 능력입니다(FSU 자기장 연구소).

렌즈를 지난 점 하나의 빛은 회절 때문에 점이 아니라 작은 원반(에어리 원반)과 그 둘레의 고리로 번지고, 이 원반에 빛 에너지의 84 % 가 담깁니다(FSU).

두 원반이 너무 많이 겹치면 하나로 보이는데, 따로 가려낼 수 있는 한계를 레일리 기준이라 하고 현미경에서는 R = 0.61λ/NA 로 셈합니다(FSU).

식에서 파장 λ 가 짧을수록 R 이 작아져 분해능이 좋아지며, 시뮬레이터에서도 파장을 1 cm 에서 0.5 cm 로 줄이면 퍼짐이 14.1° 에서 7.0° 로 좁아집니다.

💡 생활 속 예시

  • 학교 현미경으로 양파 껍질 세포를 볼 때, 배율을 가장 높게 올려도 세포 속 아주 작은 알갱이는 흐릿한 점으로만 보입니다.
  • 밤에 멀리서 다가오는 자동차의 두 전조등은 처음엔 불빛 하나처럼 보이다가 가까워지면 둘로 갈라져 보입니다.

🙅 오해 깨기오해 모음 보기

  • 배율만 키우면 얼마든지 작은 것을 또렷이 볼 수 있다.

    가려 볼 수 있는 가장 작은 거리는 R = 0.61λ/NA 로 정해지며, 파장이 짧을수록 R 이 작아집니다. 출처

  • 망원경 · 현미경 속에서 별이나 작은 점은 크기 없는 점으로 맺힌다.

    점은 빛의 회절(또는 산란) 때문에 작은 원반으로 번져 맺힙니다. 출처

누가 왜 찾았나

점의 상이 번져 생기는 밝은 원반은 조지 에어리 경의 이름을 따 «에어리 원반» 이라 부르고, 두 에어리 원반을 따로 가려낼 수 있는 한계에는 «레일리 기준» 이라는 이름이 붙었습니다(FSU 자기장 연구소). 렌즈를 아무리 잘 깎아도 빛이 파동인 한 이 번짐은 남기 때문에, 더 작은 것을 보려는 사람들은 파장을 줄이거나 구경을 키우는 길을 찾아 왔습니다.

확인된 값

분해능: 붙어 있는 두 점의 상을 또렷이 나눠 보여 주는 능력
resolving power 출처
회절 무늬 한가운데의 밝은 원반 = 에어리 원반 (조지 에어리 George Airy 의 이름)
Airy disk 출처
두 에어리 원반을 따로 가려낼 수 있는 한계 = 레일리 기준
Rayleigh criterion 출처
현미경 분해능 식 (λ 파장 · NA 수치 구경)
R = 0.61λ/NA 출처
파장이 짧을수록 분해능이 좋다 (R 이 작아진다)
shorter λ → smaller R 출처
에어리 원반 안에 담긴 빛 에너지의 몫
84 % 출처
점이 원반으로 번지는 까닭은 빛의 회절(또는 산란)
diffraction 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 고급 물리학 · 광학 [12고물03-03]

출처

이어서 보기

같은 단원 · 빛의 파동성

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