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
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
- 개념반사광이 편광되는 각 (브루스터 각)
- 개념회절 (호이겐스–프레넬 원리)
- 개념촘촘한 틈이 만드는 무지개 (회절 격자)
- 개념빛의 간섭
- 개념큰 알갱이의 산란 (미 산란)
- 개념한 방향으로 떨리는 빛 (편광)
- 개념하늘이 파란 까닭 (레일리 산란)
- 개념얇은 막의 무지갯빛 (박막 간섭)
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