近代物理實(shí)驗(yàn)(法拉第效應(yīng))

1、近代物理實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)名稱】法拉第效應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解磁光效應(yīng)現(xiàn)象和法拉第效應(yīng)的機(jī)理。2.測量磁致旋光角，驗(yàn)證法拉第費(fèi)爾德定律 =VBL 。3.法拉第效應(yīng)與自然旋光的區(qū)別。4.了解磁光調(diào)制原理?！緦?shí)驗(yàn)儀器】1、光源系統(tǒng)：白熾燈光源，單色儀，聚光燈筒，起偏鏡；2、磁場系統(tǒng)：電磁鐵，激磁電源，高斯計(jì)；3、樣品介質(zhì)系統(tǒng)：樣品介質(zhì)，樣品盒；4、旋光角監(jiān)測系統(tǒng)：檢偏測角儀，光電倍增管，直流復(fù)射式檢流計(jì)，高壓電源；【實(shí)驗(yàn)原理】介質(zhì)因外加磁場而改變其光學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象稱之為磁光效應(yīng)。其中，光通過處于磁場中的物質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)較為重要，我們稱這種偏振面的磁致旋轉(zhuǎn)效應(yīng)為法拉第效應(yīng)。它與克爾效應(yīng)一起揭示了光的

2、電磁本質(zhì)，是光的電磁理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。法拉第在尋找磁與光現(xiàn)象的聯(lián)系時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了線偏振光在通過處于磁場當(dāng)中的各向同性介質(zhì)時(shí)其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。在磁場不是非常強(qiáng)時(shí)，偏振面的旋轉(zhuǎn)角度與介質(zhì)的長度及磁感應(yīng)強(qiáng)度在光的傳播方向上的分量B 成正比BlV（1）比例系數(shù)V 成為維爾德（Verdet ）常數(shù)，它取決于光的波長和色散關(guān)系，一般物質(zhì)的維爾德常數(shù)比較小，表1 給出了幾種材料的維爾德常數(shù)V。法拉第效應(yīng)與自然旋光不同。在法拉第效應(yīng)中對(duì)于給定的物質(zhì)，光矢量的旋轉(zhuǎn)方向只由磁場的方向決定，而與光的傳播方向無關(guān)，即當(dāng)光線經(jīng)樣品物質(zhì)往返一周時(shí)，旋光角將倍增。線偏振光可看作兩個(gè)相反偏振量 +和 的圓偏振光的相干疊加，

3、從原子物理知識(shí)可知 ， 磁 場 將 使 原 子 中 的 振 蕩 電 荷 產(chǎn) 生 旋 進(jìn) 運(yùn) 動(dòng) ， 旋 進(jìn) 的 頻 率 等 于 拉 莫 爾 頻 率 ， 即L =Bme,這里 e 和 m 分別為振蕩粒子的電荷和質(zhì)量，B 為磁場強(qiáng)度。 線偏振光的 +和 分量有不同的旋進(jìn)頻率，分別為L和L，相應(yīng)的折射率n+和 n-，相速度v+和 v- 都不同，而在光學(xué)行為中是等效的，偏振面旋轉(zhuǎn)角由下述等式得到，旋轉(zhuǎn)角由光通過的材料長度l決定 ,即lcnn2)(（2）上式中， c 為光速，為入射光的頻率，上式的推導(dǎo)較為簡單，是建立在經(jīng)典電磁理論的基礎(chǔ)之上。由量子理論知道，介質(zhì)中原子的軌道電子磁矩 = -Lme2（3）

4、式中， e 為電子電荷， m 為電子質(zhì)量， L 為軌道角動(dòng)量，在磁場B 中，一個(gè)電子磁矩具有勢能: EP EP=-B=Lme2B=zLmeB2（4）其中zL為電子的軌道角動(dòng)量沿磁場方向的分量。當(dāng)平面偏振光在磁場B 作用下通過樣品介質(zhì)時(shí)，光子與束縛電子發(fā)生相互作用，光子使束縛電子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子吸收了光量子的角動(dòng)量zL（2/h） 。因此電子的勢能增加了PEmeBmeBLmeBEzP2)(22（5）其中正號(hào)對(duì)應(yīng)于左旋圓偏振光量子，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于右旋圓偏振光量子，在電子的勢能增加PE同時(shí)，光子的能量減少了EPE。由量子理論知道，光子具有的能量為，樣品介質(zhì)對(duì)光子的折射率n=n（） 。當(dāng)

5、光子的能量減少了EPE時(shí)， n=n（-PE） ，函數(shù)形式未發(fā)生改變。將 n 在 n（）附近展開有n=n（-PE） n（）ddnEP（6）將（ 5）式代入（ 6）式有nn（）ddnmeB2（7）正號(hào)為介質(zhì)對(duì)左旋光的折射率，負(fù)號(hào)為介質(zhì)對(duì)右旋光的折射率。將上式代入 （ 2） 式，并用波長表示（/2 c） ，則有ddnmceBl2（8）上式表明法拉第旋光角的大小與樣品介質(zhì)厚度S、磁場強(qiáng)度B 正比，并且和入射光的波長及介質(zhì)的色散ddn有關(guān)。若用 CGS 單位制，則有，ddnmceBl22（9）將（ 9）式代入（ 1）式有，V=ddnmce22(10) 【實(shí)驗(yàn)步驟】1.調(diào)整磁場B=f(I); I為線圈電流

6、；2.驗(yàn)證磁場強(qiáng)度B 與偏振面旋轉(zhuǎn)角度之間的正比關(guān)系。3.維爾德（ Verdet）常數(shù)隨光波波長的變化?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理】0.5A 161081011081681.0A 5225624625121711.5A 2645930140842482.0A 5442045232242622.5A 0564053654753743.0A 207496306536413電流（ A）0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 磁場（ T）0.10 0.30 0.42 0.54 0.62 0.70 根據(jù)公式BlV，當(dāng)68 ，B=0.1T ，l1cm 時(shí)費(fèi)爾德常數(shù)V=680弧分 /特斯拉厘米當(dāng)171 ，B=0.3T ，l1cm 時(shí)費(fèi)爾德常數(shù)V=570弧分 /特斯拉厘米當(dāng)248 ，B=0.42T ，l1cm 時(shí)費(fèi)爾德常數(shù)V=590弧分 /特斯拉厘米當(dāng)262 ，B=0.54T ，l1cm 時(shí)費(fèi)爾德常數(shù)V=485弧分 /特斯拉厘米當(dāng)374 ，B=0.62T ，l1cm 時(shí)費(fèi)爾德常數(shù)V=603弧分 /特斯拉厘米當(dāng)413 ，B=0.70T ，l1cm 時(shí)費(fèi)爾德常數(shù)V=590弧分 /特斯拉厘米【實(shí)驗(yàn)總結(jié)】1. 當(dāng)勵(lì)磁電流較高時(shí)（ 2A 以上），螺線管會(huì)發(fā)熱，屬正?，F(xiàn)象。但如果