法拉第旋光效应实验报告

法拉第旋光效应实验报告一．实验目的：1.了解和掌握法拉第效应的原理；2.了解和掌握法拉第效应的实验装置结构及实验原理；3.测量法拉第效应偏振面旋转角与外加磁场电流I的关系曲线。二．实验仪器：LED发光二极管（或白光光源和滤波片），偏振片，透镜，直流励磁电源，导轨，偏振片，集成霍尔元件，稳压电源等。三．实验原理和操作步骤：天然旋光现象。当线偏振光通过某些透明物质(如石英、糖溶液、酒石酸溶液等)后．其振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。1811年阿拉果首先发现石英有旋光现象，以后毕奥（J.B.Biot）和其他人又发现许多有机液体和有机物溶液也具有旋光现象。凡能使线偏振光振动面发生旋转的物质称为旋光物质，或称该物质具有旋光性。图3.1石英的旋光现象如图3.1所示，1P和2P分别为起偏器和检偏器（正交）。显然，在没有旋光物质时，2P后面的视场是暗的。当在1P和2P之间加入旋光物质后2P后的视场将变亮，将2P旋转某一角度后，视场又将变暗。这说明线偏振光透过旋光物质后仍然是线偏振光，只是其振动面旋转了一个角度。振动面旋转的角度称为旋光度，用ϕ表示。线偏振光通过旋光晶体时，旋光度ϕ和晶体厚度d成正比，即dαϕ=（3.1）式中，α是比例系数，与旋光晶体的性质、温度以及光的频率有关，称为该晶体的旋光率。不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面向不同的方向旋转．人们对旋光方向作下述约定：迎着光传播方向观察，若出射光振动面相对于入射光扳动面沿顺时针方向旋转为右旋；沿逆时针方向旋转称为左旋．在图3.1中，若在1P前加一个白色光源，由于不同波长的光旋转角度不同，因此到达2P时有一部分光能透过去，有些光透不过去，有些能部分透过去，所以2P后的视场是彩色的，旋转2P其法拉第旋光效应25色彩会发生变化，这种现象叫做旋光色散。2.旋光现象的菲涅耳解释。菲涅耳提出了一种唯象理论来解释物质的旋光性质。线偏振光可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以相同的角速度沿相反方向旋转，它们合成为在一直线上振动的线偏振光。在旋光物质中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光传播的相速度不相同。假定右旋圆偏振光在某旋光物质中传播速度比左旋圆偏振光的速度快，在旋光物质出射面处观察，于右旋圆偏振光速度快，因此右旋圆偏振光振幅旋转过的角度较大，在出射面处，两圆偏光合成的线偏振光PE的振动方向比起原来(进入旋光物质前)的振动方向0PE来，顺时针方向转过角度θ，这就是右旋。当材料中左旋圆偏振光的相速度较大时．就是左旋光材料。3.磁致旋光。前面介绍的是物质的天然旋光性，实际上，有些物质本身不具有旋光性，但在磁场作用下就有旋光性了，就是前面介绍的法拉第旋光效应，也叫磁致旋光效应。磁致旋光中振动面的旋转角ϕ和样品长度L及磁感应强度B成正比，即有VLB=ϕ（3.2）式中V是—个与物质的性质、光的频率有关的常数，称为维尔德(Verdet)常数。某些物质的维尔德磁致旋光也有左右之分．我们规定：当光的传播方向和磁场方向平行时迎着光的方向观察，光的振动面向左旋转(逆时针)，则维尔德常数为正。旋光现象的唯象解释近代物理实验讲义4.磁致旋光的经典唯象解释。可以用唯象模型来说明磁致旋光效应。电子在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的电场作用下作左旋和右旋圆周运动，电子运动平面与磁场垂直。电子在磁场中受到洛仑兹力，其方向向着电子轨道中心或背着轨道中心，视速度的方向而定注意：电子本身带负电荷。在洛仑兹力向着轨道中心的情况中，电子受到的向心力增加，电子旋转速率增大。在洛仑兹力背向轨道中心的情况中，电子旋转变慢。电子旋转快慢的变化影响了圆偏振光电场矢量旋转角速度。当光从磁光媒质出射时重新合成线偏振光。由于在媒质中左旋和右旋的速率不同，合成偏振光的振动面转过了一个角度。从图上可以看出，电子旋转速率变化只决定于磁场方向与电子旋转方向，而与光的传播方向无关。值得注意的是，天然旋光的旋转方向与光的传播方向有关，而磁致旋光的旋转方向与光的传播方向无关，而决定于外加磁场的方向。如图3.5所示，若将出射光再反射回晶体，则通过天然旋光晶体的线偏光沿原路返回后振动面将回复原位，而通过磁致旋光晶体的线偏光将继续旋光，其振动面与原振动面夹角更大。磁致旋转现象是由于外磁场存在时物质的原子或分子中的电子进动而引起的。这种进动的结果，使物体对顺时针与逆时针的圆偏振光产生不同的折射率。因此方向不同的圆偏振光的传播速度不同，引起了振动面的旋转。四．实验数据处理与讨论：1.B-I表格I(A)0.20.40.60.811.21.4B(T)0.010.020.030.040.050.060.07I(A)1.61.822.22.4-0.2-0.4B(T)0.080.090.10.110.12-0.01-0.02I(A)-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-1.8B(T)-0.03-0.04-0.05-0.06-0.07-0.08-0.09I(A)-2-2.2-2.4B(T)-0.1-0.11-0.12B-I曲线图：经线性拟合得：B=0.04I。2.-B表格B(T)0.020.040.060.081红光（rad）0.1220.2270.3490.4710.576绿光(rad)0.0870.1750.2620.3490.436蓝光（rad）0.0350.070.1050.140.175B(T)-0.02-0.04-0.06-0.08-0.1红光（rad）-0.122-0.227-0.249-0.471-0.576绿光(rad)-0.087-0.175-0.262-0.349-0.436蓝光（rad）-0.035-0.07-0.105-0.14-0.175-B曲线图经线性拟合可得：蓝光：=1.75B；绿光：=4.36B；红光：=5.67B。且光的波长越小，曲线越倾斜。3.维尔德常数由公式可得：V=/LB。又L=3cm，则蓝光：V=0.583（rad/mT）绿光：V=1.453（rad/mT）红光：V=1.890（rad/mT）可知：波长越小，维尔德常数越小；波长越大，维尔德常数越大。4.由测量得的维尔德常数计算出的电子的荷质比分别为：蓝光：0.8091110/Ckg，绿光：2.1451110/Ckg，红光：5.0841110/Ckg。