法拉第旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

法拉第旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解和掌握法拉第效應(yīng)的原理；2.了解和掌握法拉第效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)原理；3.測(cè)量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角與外加磁場(chǎng)電流I的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)儀器：LED發(fā)光二極管（或白光光源和濾波片），偏振片，透鏡，直流勵(lì)磁電源，導(dǎo)軌，偏振片，集成霍爾元件，穩(wěn)壓電源等。實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟：天然旋光現(xiàn)象。當(dāng)線偏振光通過某些透明物質(zhì)(如石英、糖溶液、酒石酸溶液等)后．其振動(dòng)面將以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。1811年阿拉果首先發(fā)現(xiàn)石英有旋光現(xiàn)象，以后畢奧（J.B.Biot）和其他人又發(fā)現(xiàn)許多有機(jī)液體和有機(jī)物溶液也具有旋光現(xiàn)象。凡能使線偏振光振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)，或稱該物質(zhì)具有旋光性。圖3.1石英的旋光現(xiàn)象如圖3.1所示，1P和2P分別為起偏器和檢偏器（正交）。顯然，在沒有旋光物質(zhì)時(shí)，2P后面的視場(chǎng)是暗的。當(dāng)在1P和2P之間加入旋光物質(zhì)后2P后的視場(chǎng)將變亮，將2P旋轉(zhuǎn)某一角度后，視場(chǎng)又將變暗。這說明線偏振光透過旋光物質(zhì)后仍然是線偏振光，只是其振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度，用?表示。線偏振光通過旋光晶體時(shí)，旋光度?和晶體厚度d成正比，即dα?=（3.1）式中，α是比例系數(shù)，與旋光晶體的性質(zhì)、溫度以及光的頻率有關(guān)，稱為該晶體的旋光率。不同的旋光物質(zhì)可以使線偏振光的振動(dòng)面向不同的方向旋轉(zhuǎn)．人們對(duì)旋光方向作下述約定：迎著光傳播方向觀察，若出射光振動(dòng)面相對(duì)于入射光扳動(dòng)面沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為右旋；沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)稱為左旋．在圖3.1中，若在1P前加一個(gè)白色光源，由于不同波長(zhǎng)的光旋轉(zhuǎn)角度不同，因此到達(dá)2P時(shí)有一部分光能透過去，有些光透不過去，有些能部分透過去，所以2P后的視場(chǎng)是彩色的，旋轉(zhuǎn)2P其法拉第旋光效應(yīng)25色彩會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做旋光色散。2.旋光現(xiàn)象的菲涅耳解釋。菲涅耳提出了一種唯象理論來解釋物質(zhì)的旋光性質(zhì)。線偏振光可以分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。左旋圓偏振光和右旋圓偏振光以相同的角速度沿相反方向旋轉(zhuǎn)，它們合成為在一直線上振動(dòng)的線偏振光。在旋光物質(zhì)中左旋圓偏振光和右旋圓偏振光傳播的相速度不相同。假定右旋圓偏振光在某旋光物質(zhì)中傳播速度比左旋圓偏振光的速度快，在旋光物質(zhì)出射面處觀察，于右旋圓偏振光速度快，因此右旋圓偏振光振幅旋轉(zhuǎn)過的角度較大，在出射面處，兩圓偏光合成的線偏振光PE的振動(dòng)方向比起原來(進(jìn)入旋光物質(zhì)前)的振動(dòng)方向0PE來，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過角度θ，這就是右旋。當(dāng)材料中左旋圓偏振光的相速度較大時(shí)．就是左旋光材料。3.磁致旋光。前面介紹的是物質(zhì)的天然旋光性，實(shí)際上，有些物質(zhì)本身不具有旋光性，但在磁場(chǎng)作用下就有旋光性了，就是前面介紹的法拉第旋光效應(yīng)，也叫磁致旋光效應(yīng)。磁致旋光中振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角?和樣品長(zhǎng)度L及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，即有VLB=?（3.2）式中V是—個(gè)與物質(zhì)的性質(zhì)、光的頻率有關(guān)的常數(shù)，稱為維爾德(Verdet)常數(shù)。某些物質(zhì)的維爾德磁致旋光也有左右之分．我們規(guī)定：當(dāng)光的傳播方向和磁場(chǎng)方向平行時(shí)迎著光的方向觀察，光的振動(dòng)面向左旋轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)，則維爾德常數(shù)為正。旋光現(xiàn)象的唯象解釋近代物理實(shí)驗(yàn)講義4.磁致旋光的經(jīng)典唯象解釋?？梢杂梦ㄏ竽Ｐ蛠碚f明磁致旋光效應(yīng)。電子在左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的電場(chǎng)作用下作左旋和右旋圓周運(yùn)動(dòng)，電子運(yùn)動(dòng)平面與磁場(chǎng)垂直。電子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力，其方向向著電子軌道中心或背著軌道中心，視速度的方向而定注意：電子本身帶負(fù)電荷。在洛侖茲力向著軌道中心的情況中，電子受到的向心力增加，電子旋轉(zhuǎn)速率增大。在洛侖茲力背向軌道中心的情況中，電子旋轉(zhuǎn)變慢。電子旋轉(zhuǎn)快慢的變化影響了圓偏振光電場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)光從磁光媒質(zhì)出射時(shí)重新合成線偏振光。由于在媒質(zhì)中左旋和右旋的速率不同，合成偏振光的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過了一個(gè)角度。從圖上可以看出，電子旋轉(zhuǎn)速率變化只決定于磁場(chǎng)方向與電子旋轉(zhuǎn)方向，而與光的傳播方向無關(guān)。值得注意的是，天然旋光的旋轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向有關(guān)，而磁致旋光的旋轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向無關(guān)，而決定于外加磁場(chǎng)的方向。如圖3.5所示，若將出射光再反射回晶體，則通過天然旋光晶體的線偏光沿原路返回后振動(dòng)面將回復(fù)原位，而通過磁致旋光晶體的線偏光將繼續(xù)旋光，其振動(dòng)面與原振動(dòng)面夾角更大。磁致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象是由于外磁場(chǎng)存在時(shí)物質(zhì)的原子或分子中的電子進(jìn)動(dòng)而引起的。這種進(jìn)動(dòng)的結(jié)果，使物體對(duì)順時(shí)針與逆時(shí)針的圓偏振光產(chǎn)生不同的折射率。因此方向不同的圓偏振光的傳播速度不同，引起了振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)。由公式可得：V=/LB。又L=3cm，則藍(lán)光：V=0.583（rad/mT）綠光：V=1.453（rad/mT）