1、法拉第旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一. 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.測量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角與外加磁場電流I的關(guān)系曲線。二. 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 勵磁電源，導(dǎo)軌，偏振片，集成霍爾元件，穩(wěn)壓電源等。三. 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 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

2、振動面發(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后面的視場是暗的。當(dāng)在 1P和2P之間參加旋光物質(zhì)后 2P后的視場將變亮，將2P旋轉(zhuǎn)某一角度后，視場又將變暗。這說明線偏振光透過旋光物質(zhì)后仍然是線偏振光，只是其振動面旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。振動面旋轉(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d a =式中，a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面向不同的方向旋轉(zhuǎn).人們對旋光方向作下

3、述約定： 迎著光傳播方向觀察， 假設(shè)出射光振動面相對于入射光扳動面沿順時(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，假設(shè)在 1P 前加一 個(gè)白色光源，由于不同波長的光旋轉(zhuǎn)角度不同，因此到達(dá) 2P 時(shí)有一局部光 能透過去，有些光透不過去，有些能局部透過去，所以 2P 后的視場是彩色 的，旋轉(zhuǎn) 2P 其法拉第旋光效應(yīng) 25 色彩會發(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的線

4、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 的振動方向比起原來 進(jìn)入旋光物質(zhì)前 的 振動方向0 PE來，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過角度 0 ，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

5、致旋光中振動面的旋轉(zhuǎn)角 ? 和樣品長度 L 及磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 成正比，即有 VLB = ? 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方向平行時(shí)迎著光的方向觀察， 光 的振動面向左旋轉(zhuǎn) 逆時(shí)針，那么維爾德常數(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。 可以用唯象模型來說明磁致旋光效應(yīng)。 電子在左旋圓偏振光和右旋圓偏振 光的電場作用下作左旋和右旋圓周運(yùn)動， 電子運(yùn)動平面與磁場垂直。電子 在磁場中受到洛侖茲力，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

6、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)，而決定于外加磁場的方向。如圖 3.5 所 示，假設(shè)將出射光再反射回晶體， 那么通過天然

7、旋光晶體的線偏光沿原路返回 后振動面將回復(fù)原位， 而通過磁致旋光晶體的線偏光將繼續(xù)旋光， 其振動面 與原振動面夾角更大。 磁致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象是由于外磁場存在時(shí)物質(zhì)的原子或分子 中的電子進(jìn)動而引起的。 這種進(jìn)動的結(jié)果， 使物體對順時(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 振動面的旋轉(zhuǎn)。四.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與討論:1.B-I表格1(A)1B(T)I(A)2B(T)I(A)-1B(T)I(A)-2B(T)B-I曲線圖:Y=2 08237E-5+0 04998 X0 151 . 1 .OJOPO0.051. fl nn/ 1 . 1 . 1' * *321231(A)F -0.05V-0.10jT-0 15=B-1曲線經(jīng)線性擬合得：B=0.04l2 -B表格B(T)1紅光 rad綠光(rad)藍(lán)光 radB(T)紅光 rad綠光(rad)藍(lán)光 rad-B曲線圖藍(lán)光：Y =-3 46945E-19+1J5 Xl" 刖0.6紅光匕 q>-B曲線經(jīng)線性擬合可得：藍(lán)光：；綠光：；紅光：。且光的波長越小，曲線越傾斜由公式可得：V /LB。又L=3cm ,那么藍(lán)光： V=0.583 rad/