實驗4 磁旋光效應(yīng)

實驗4磁旋光效應(yīng)磁旋光效應(yīng)(法拉第效應(yīng))實驗，對不同物質(zhì)的旋光特性有所認(rèn)識。實驗發(fā)現(xiàn)，磁旋光性物質(zhì)具有左旋和右旋之分,而且它的旋光方向是由磁場的方向來決定。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析獲得磁場強度與偏振角之關(guān)系，觀察磁場電流與旋光方向的關(guān)系,進(jìn)一步了解不同介質(zhì)的旋光特性。[實驗?zāi)康腯1．觀察和了解磁旋光現(xiàn)象及其基本特征。2．學(xué)習(xí)測量介質(zhì)的磁旋光費爾德常數(shù)的數(shù)值的方法。3．思考磁旋光效應(yīng)的應(yīng)用。[實驗內(nèi)容]對給定的兩個樣品進(jìn)行下面測量1、在350nm-750nm波長范圍內(nèi)，分散選取5個以上不同波長，對其在不同磁場強度（在50mT-600mT范圍內(nèi)取10個以上點）下測量樣品的磁旋光角。2、對兩個樣品，做不同波長的磁旋光角-磁場強度關(guān)系圖，并由圖確定相應(yīng)的費爾德常數(shù)值。3、分析實驗所得磁旋光角--磁場強度關(guān)系是否符合式（1）線性關(guān)系，以及費爾德常數(shù)值隨光波長變化的色散關(guān)系。[導(dǎo)引問題]1．磁旋光現(xiàn)象具有什么特征？它與天然旋光現(xiàn)象有什么相同和不同的地方？2．如何理解磁旋光效應(yīng)的物理本質(zhì)？3、實驗中所使用的磁場并非均勻場，這對V值的精確測量有影響嗎？如果有，你能提出改進(jìn)意見嗎？4、許多材料除了有法拉第旋光效應(yīng)外，還有自然旋光、雙折射等效應(yīng)。它們的存在是否會影響本實驗測量的準(zhǔn)確度？如果影響，你能提出消除影響的辦法嗎？[實驗原理]1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。當(dāng)線偏振光（見光的偏振）在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角圖1法拉第效應(yīng)示意圖度ψ與磁感應(yīng)強度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)當(dāng)一束平面偏振光穿過某介質(zhì)時，如果對介質(zhì)在沿光的傳播方向加上磁場，就會觀察到光經(jīng)過樣品后偏振面轉(zhuǎn)過一個角度(見圖1)，亦即磁場使介質(zhì)具有了旋光性，這種現(xiàn)象就是磁旋光效應(yīng)，也稱為法拉第效應(yīng)。實驗表明，在磁場不很強時，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與光波在介質(zhì)中走過的路程及加在介質(zhì)中的磁感應(yīng)強度沿光傳播方向上的分量B成正比，即 比例系數(shù)V稱為費爾德(Verdet)常數(shù),表征著物質(zhì)的磁光特性，其值由介質(zhì)和光波長決定。幾乎所有的物質(zhì)(氣體、液體，固體)都存在法拉第效應(yīng)，不過大多不顯著。不同的物質(zhì)，偏振面旋轉(zhuǎn)的方向也可能不同。習(xí)慣上規(guī)定，旋轉(zhuǎn)方向與產(chǎn)生磁場的螺線管中電流方向一致的，叫正旋（）;反之叫負(fù)旋（）。表1、2給出某些物質(zhì)的費爾德常數(shù)的數(shù)值。表1一些物質(zhì)的費爾德常數(shù)物質(zhì)空氣0580一氧化碳0580水20580甲醇20589水晶20589（垂直C軸）重火石玻璃20589表2若干旋光玻璃的旋光特性玻璃波長溫度費爾德常數(shù)吸收系數(shù)可用波段特重鉛玻璃SchottSFS-60.71.03003000.010.0060.54-2.0特重鉛玻璃SchottSF-60.6333000.45-2.0鈰磷酸鹽玻璃-P0.50.73003000.4-2.0鋱鋁硅酸鹽玻璃HOYAFR-50.6331.063003000.0290.0090.55-2.0磁旋光與自然旋光有不同的地方，也有相同的地方。不同的地方是磁旋光效應(yīng)是不可逆的光學(xué)過程，即對于給定的物質(zhì)偏振面的旋轉(zhuǎn)方向相對于實驗室坐標(biāo)，只由B的方向決定，和光的傳播方向無關(guān)，光線往返一次，旋轉(zhuǎn)角將是單方向的2倍，而自然旋光則是可逆的，光線往返一次，累積旋轉(zhuǎn)角為零。相同的地方是旋光存在色散。對磁旋光效應(yīng)，色散表現(xiàn)為費爾德常數(shù)V值隨入射光波長λ而變(見圖2)，稱為旋光色散。如介質(zhì)是含有三價稀土離子的玻璃，旋光色散可用下式近似表示 式中K是躍遷波長、有效的電偶極矩陣元、溫度和濃度等物理量的函數(shù)，但與人射光波長λ無關(guān)。[實驗裝置]本實驗所使用的實驗裝置是NDFA-20A型磁旋光效應(yīng)儀，其功能部件如圖4所示。下面對幾個主要部件予以簡介。1、光源及照明系統(tǒng)：光源使用有足夠亮度的白熾燈。白光通過單色儀分光得到可見光波段的近單色光。為保證在不同波段有一定的單色性和適當(dāng)?shù)牧炼?，設(shè)備設(shè)計有一寬度可調(diào)狹縫。同時入射狹縫前和出射狹縫后加有透鏡組，以便起偏器的視場獲得盡可能均勻的照明。2、起偏器：位于單色儀處口，其位置固定，需要時可以微調(diào)。3、斬光器：由在同一圓周上具有間歇透明的可旋轉(zhuǎn)斬光盤構(gòu)成，斬光盤旋轉(zhuǎn)時，進(jìn)入起偏器的光成通斷交替狀態(tài)，相當(dāng)于被一方波調(diào)制。斬光器可以在提供射入樣品光時也提供一路參考光，以減小實驗誤差。4、電磁鐵、電源與特斯拉計：電磁鐵用直流電源供電，最大電流10A。電磁鐵間的磁場強度由安裝在那里的特斯拉計給出。5、檢偏器：用面板上的檢偏調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)其檢偏角，調(diào)節(jié)范圍180度，分辯率為0.1度，角度由面板上的角度指示度盤讀出。6、接收裝置：經(jīng)檢偏器輸出的光強用光電倍增管接收器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)放大器放大后在面板上的輸出指示表上顯示出來。[實驗方法]1．將待測樣品玻璃放入樣品抽屜上的圓孔內(nèi)，輕輕旋緊樣品，防止壓碎樣品。2．將輸出電流調(diào)節(jié)和倍增管電壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向調(diào)到最小，打開電源。3．調(diào)節(jié)磁場調(diào)節(jié)旋鈕，使磁場為0，將倍增管電壓調(diào)到最小，并且將輸出指針調(diào)節(jié)至0。4．微調(diào)減測靈敏度旋紐（即倍增管電壓調(diào)節(jié)）觀察輸出指示到滿刻度2/3附近，再微調(diào)檢偏器角度，使鎖定示出電壓最小，再重新緩慢調(diào)節(jié)高檢測靈敏度，使得輸出指示再次增大，重新調(diào)節(jié)檢偏器角度，使輸出指示電壓最小。以此依次反復(fù)調(diào)節(jié)幾次，當(dāng)檢偏器的角度微小變化都會帶來輸出增加時，記錄下此時的檢偏器的角度，此時檢偏器角度被認(rèn)作為與偏振光無偏振時的原偏振角相差90度。5．微調(diào)磁場調(diào)節(jié)旋鈕，使輸出磁場50mT注意觀察輸出數(shù)據(jù)在增，如果增加的過多或接近飽和，則停止增加電流，逆時針方向調(diào)低靈敏度。當(dāng)磁場到達(dá)50mT時，重復(fù)步驟4的開始方法，檢測磁化時的最小輸出偏振角，并記錄數(shù)據(jù)。6．按照步驟5的方法，分別測量50mT100mT150mT200mT250mT300mT350m400mT450mT500mT注意事項（1）磁極間距要固定好，使剛好能放下樣品又不使樣品受壓力（2）施加或撤除磁化電流時，應(yīng)先將電源輸出電位器逆時針旋回到零，以防止接通或切斷電源時磁體電流的突變。（3）為了保證能重復(fù)測得磁感應(yīng)強度及與之相應(yīng)的磁體激磁電流的數(shù)據(jù)，磁體電流應(yīng)從零上升到正向最大值，否則要進(jìn)行消磁。（4）半蔭式起偏器的粘合縫最好水平放置，否則當(dāng)狹縫較寬時，用單色儀分光，出射光顏色左右兩半不同，不利于比較它們的亮度。[相關(guān)背景]引言法拉第效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：1845年法拉第用一束偏振光通過重玻璃,然后用尼科耳棱鏡進(jìn)行細(xì)致的觀察。他發(fā)現(xiàn)原來沒有旋光性的重玻璃在強磁場的作用下產(chǎn)生旋光性,使偏振光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這就是磁旋光效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),這是人類第一次認(rèn)識到電磁現(xiàn)象與光現(xiàn)象之間的關(guān)系。法拉第效應(yīng)可用于混合碳水化合物成分分析和分子結(jié)構(gòu)研究。近年來在激光技術(shù)中這一效應(yīng)被利用來制作光隔離器和紅外調(diào)制器。該效應(yīng)可用來分析碳?xì)浠衔铮蛎糠N碳?xì)浠衔镉懈髯缘拇胖滦馓匦?；在光譜研究中，可借以得到關(guān)于激發(fā)能級的有關(guān)知識；在激光技術(shù)中可用來隔離反射光，也可作為調(diào)制光波的手段。因為磁場下電子的運動總附加有右旋的拉穆爾進(jìn)動，當(dāng)光的傳播方向相反時，偏振面旋轉(zhuǎn)角方向不倒轉(zhuǎn)，所以法拉第效應(yīng)是非互易效應(yīng)。這種非互易的本質(zhì)在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環(huán)行器、開關(guān)就是用旋轉(zhuǎn)角大的磁性材料制作的。[相關(guān)人物]法拉第出身在美國的一個非常貧困的家庭。法拉第形容自己的童年是在“饑餓和寒冷中度過的”。法拉第是家里唯一讀過二年半小學(xué)的子女，由于他誠實、聰明、能干，閱讀各種各樣的書籍，越來越被物理、化學(xué)領(lǐng)域的成果所吸引。從1840年開始常去英國皇家學(xué)院聽科學(xué)家的演講，1812年他聽了戴維的四次報告，每次均作詳細(xì)的記錄，回家后把所聽材料精心整理，繪制了許多圖表，再裝訂成冊，把該書寄給戴維，并附上請求在皇家學(xué)院謀職的信。接信后，戴維答應(yīng)法拉第以皇家研究所助手的名義，在他的實驗室工作。戴維對法拉第嚴(yán)格要求、精心培養(yǎng)，而法拉第則是刻苦學(xué)習(xí)、虛心求教，1813年他隨同戴維出訪歐洲大陸一年多，其間，使他有機會會見當(dāng)時許多著名的科學(xué)家，開闊了眼界、增長了見識。回國后法拉第開始獨立搞科學(xué)研究工作，表現(xiàn)出了驚人的才干，從此在物理和化學(xué)方面取得了一個又一個令人矚目的成績。1816年，法拉第在戴維的幫助下發(fā)表了第一篇論文，接著又發(fā)表了六篇論文。1821年成為皇家學(xué)院實驗室總監(jiān)和實驗室主任，1824年被推選為皇家學(xué)會會員，1825年接替戴維任實驗室主任，1833年任教授。1831年法拉第發(fā)明了電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流的原理，1834年發(fā)表了著名的以他名字命名的電解定律……。[相關(guān)理論]法拉第效應(yīng)的經(jīng)典理論從光波在介質(zhì)中傳播的圖像看，法拉第效應(yīng)可以做如下的理解:一束平行于磁場方向傳播的平面偏振光，可以看做是兩束等幅的左旋和右旋圓偏振光的疊加，這里左旋和右旋是相對于磁場方向而言的。如果磁場的作用是使左旋圓偏振光的折射率和右旋圓偏振光的折射率不相等，于是通過厚度為的介質(zhì)后，便產(chǎn)生不同的相位滯后，（1）上式中為真空中的波長。圓偏振光的相位即旋轉(zhuǎn)矢量的角位移，相位滯后即角位移的倒轉(zhuǎn)。在介質(zhì)的人射面上，入射的平面偏振光E可分解為圖4(a)所示的兩個旋轉(zhuǎn)方向不同的圓偏振光和。通過介質(zhì)后，它們的相位滯后不同，旋轉(zhuǎn)方向也不同。在出射面，兩個圓偏振光的旋轉(zhuǎn)矢量如圖4(b)所示，從圖上容易看出，從介質(zhì)出射以后，兩個圓偏振光的合成矢量E的偏振方向相對于原來的方向轉(zhuǎn)過的角度為（2）微觀上怎樣來理解磁場會使左、右旋圓偏振光的折射率不同呢?本質(zhì)上說，應(yīng)歸結(jié)為在磁場作用下原子、分子能級和量子態(tài)的變化，這已越出了我們課程的范圍;其實，從經(jīng)典電動力學(xué)中的介質(zhì)極化和色散的振子模型也可以得到法拉第效應(yīng)的唯象理解問.在這個模型中，把原子中被束縛的電子看作是一些偶極振子,把光波產(chǎn)生的極化和色散看作是這些振子在外場作用下作強迫振動的結(jié)果?，F(xiàn)在除了光波以外，還有一個靜磁場B作用在電子上，于是電子的運動方程是（3）式中，是電子離開平衡位置的位移，和e分別是電子的質(zhì)量和電荷，是這個偶極子的彈性恢復(fù)力。上式等號右邊第一項是光波的電場對電子的作用，第二項是磁場作用于電子的洛倫茲力。為簡化起見，略去了光波中磁場分量對電子的作用及電子振蕩的阻尼(當(dāng)人射光波長位于遠(yuǎn)離介質(zhì)的共振吸收峰的透明區(qū)時成立)，因為這些小的效應(yīng)對于理解法拉第效應(yīng)的主要特征并不重要。假定人射光波場具有通常的簡諧波的時間變化形式，因我們要求的特解是在外加光波場作用下受迫振動的穩(wěn)定解，所以的時間變化形式也應(yīng)是。因此式(3)可以寫成（4）式中，為電子共振頻率。設(shè)磁場沿+方向，又設(shè)光波也沿此方向傳播并且是右旋圓偏振光，用復(fù)數(shù)形式裘示為將式(4)寫成分量形式（5）（6）再將上式乘以，并與式(5)相加可得（7）因此，電子振蕩的復(fù)振幅為（8）設(shè)單位體積內(nèi)有N個電子，則介質(zhì)的電極化強度矢量。由宏觀電動力學(xué)的物質(zhì)關(guān)系式(為有效的極化率張量)可得（9）將式（7）代入式（9）得到令(稱為回旋加速角頻率)，則（10）由于，因此（11）對于可見光，為，當(dāng)時，，這種情況下式（11）可以表示為：(12)式中,為電子軌道磁矩在外磁場中經(jīng)典拉莫爾（Larmor）進(jìn)動頻率。若入射光改為左旋圓偏振光，結(jié)果只是使前的符號改變，即有(13)對比無磁場時的色散公式（14）可以看到兩點:一是在外加磁場的作用下，電子作受迫振動，振子的固有頻率由變成，這正對應(yīng)于吸收光譜的塞曼效應(yīng)(倒塞曼效應(yīng))；二是由于的變化導(dǎo)致了折射率的變化，并且左圓和右圓偏振的變化是不相同的，尤其在接近時，差別更為突出，這便是法拉第效應(yīng)。由此看來，法拉第效應(yīng)和吸收光譜的塞曼效應(yīng)乃是起源于同一物理過程。實際上，通常，和相差甚微，近似有（15）將式(12)－(15)代人式(2)，得到（16）由于，在上式的推導(dǎo)中略去了項。由式(14)得（17）由式（16）和（17）得(18)式中為觀測波長，為介質(zhì)在無磁場時的色散。在上述推導(dǎo)中，左旋和右旋都只是相對于磁場方向而言的，與光波的傳播方向同磁坊方向相同或相反無關(guān)。因此，法拉第效應(yīng)便有與自然旋光現(xiàn)象完全不同的不可逆性[資料附錄]下面介紹一種測量法拉第旋轉(zhuǎn)角的光電方法。將一塊玻璃放在一個正弦交變磁場中就構(gòu)成一個偏振調(diào)制器。當(dāng)一束線偏振光通過它時，由于法拉第效應(yīng)，偏振面將發(fā)生小幅度的擺動，擺動角為（19）式?jīng)_為外加磁感應(yīng)強度的峰值，以為交變場的角頻率。如一塊長2cm的玻璃，在為T時，就可產(chǎn)生左右的擺角。激磁電流可由音頻信號發(fā)生器提供。線偏振光經(jīng)調(diào)制后，即可得到一個很好的鑒別消光位置的方法。其原理方框圖如圖5所示。