法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上法拉第效應(yīng)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?初步了解法拉第效應(yīng)的經(jīng)典理論。2初步掌握進(jìn)行磁光測(cè)量的方法。二實(shí)驗(yàn)原理1法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，偏振面的磁致偏轉(zhuǎn)可以這樣定量描述：當(dāng)磁場(chǎng)不是很強(qiáng)時(shí)，振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度與光波在介質(zhì)中走過的路程及介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度在光的傳播方向上的分量成正比，這個(gè)規(guī)律又叫法拉第一費(fèi)爾得定律，即 比例系數(shù)由物質(zhì)和工作波長(zhǎng)決定，表征著物質(zhì)的磁光特性，這個(gè)系數(shù)稱為費(fèi)爾得常數(shù)，它與光頻和溫度有關(guān)。幾乎所有的物質(zhì)都有法拉第效應(yīng)，但一般都很不顯著。不同物質(zhì)的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的方向可能不同。一般規(guī)定：旋轉(zhuǎn)方向與產(chǎn)生磁場(chǎng)的螺線管中電流方向一致的，叫正旋（）反之叫負(fù)旋（）。法拉第效應(yīng)與自然旋光不

2、同，在法拉第效應(yīng)中，對(duì)于給定的物質(zhì)，偏振面相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)方向，只由的方向決定和光的傳播方向無關(guān)，這個(gè)光學(xué)過程是不可逆的。光線往返一周，旋光角將倍增。而自然旋光則是可逆的，光線往返一周，累積旋光角為零。與自然旋光類似，法拉第效應(yīng)也有色散。含有三價(jià)稀土離子的玻璃，費(fèi)爾德常數(shù)可近似表示為： 這里是透射光波長(zhǎng)，有效的電偶極矩陣元，溫度和濃度等物理量的函數(shù)，但是與入射波長(zhǎng)無關(guān)。這種值隨波長(zhǎng)而變的現(xiàn)象稱為旋光色散。2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)可以這樣理解:一束平行于磁場(chǎng)方向傳播的平面偏振光，可以看作是兩柬等幅的左旋和右旋偏振光的疊加，左旋和右旋是相對(duì)于磁場(chǎng)方向而言的

3、。介質(zhì)中受原子核束縛的電子在人射光的兩旋轉(zhuǎn)電矢量作用下，作穩(wěn)態(tài)的圓周運(yùn)動(dòng)。在與電子軌道平面相垂直的方向上加一個(gè)磁場(chǎng)，則在電子上將引起徑向力，力的方向決定于光的旋轉(zhuǎn)方向和磁場(chǎng)方向。因此，電子所受的總徑向力可以有兩個(gè)不同的值。軌道半徑也可以有兩個(gè)不同的值。結(jié)果，對(duì)于一個(gè)給定的磁場(chǎng)就會(huì)有兩個(gè)電偶極矩，兩個(gè)電極化率。這樣，磁場(chǎng)的作用就使左旋圓偏振光的折射率和右旋圓偏振光的折射率不等，通過厚度為的介質(zhì)后，將產(chǎn)生不同的位相滯后：式中是光在真空中的波長(zhǎng)。圓偏振光的位相即旋轉(zhuǎn)矢量的角位移，位相滯后即角位移的倒轉(zhuǎn)。在介質(zhì)的人射面上，入射的平面偏振光可分解為如圖2.1所示的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向不同的圓偏振光和。圖2.1

4、旋光的解釋通過介質(zhì)后，它們的位相帶后不同，旋轉(zhuǎn)方向也不同。在出射面從介質(zhì)出射后，兩個(gè)圓偏振光的合成矢量E 的偏振方向相對(duì)于原來的方向轉(zhuǎn)過的角度是： 假如和的差正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，由式可以得到式磁場(chǎng)使左右旋圓偏振光的折射率不同，從微觀上理解:這在本質(zhì)上可以歸結(jié)為在磁場(chǎng)作用下原子、分子能級(jí)和量子態(tài)的變化。法拉第效應(yīng)的嚴(yán)格推導(dǎo)涉及到色散的量子力學(xué)理論。3. 法拉第旋光角的計(jì)算設(shè)介質(zhì)中原子的軌道電子具有磁短：式中是軌道角動(dòng)量。在磁場(chǎng)中，一個(gè)電子磁矩有勢(shì)能為 式中為電子軌道角動(dòng)量的軸向分量。當(dāng)平面偏振光通過磁場(chǎng)作用在折射率為的樣品介質(zhì)上，光子使電子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子吸收光子的角動(dòng)量，動(dòng)能

5、沒有改變，而勢(shì)能則增加 同時(shí)光子失去能量，式中的正負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于左旋光和右旋光。因?yàn)楣庾泳哂心芰浚蕵悠方橘|(zhì)對(duì)光的折射律是的函數(shù)：對(duì)左旋光量子來說，或 同理，右旋光量子有 把式代入式得 用波長(zhǎng)表示，得 這是法拉第效應(yīng)旋光角的計(jì)算公式。它表明旋光角的大小和樣品介質(zhì)的厚度、磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，和入射光的波長(zhǎng)及樣品介質(zhì)的色散有密切關(guān)系。三實(shí)驗(yàn)儀器法拉第效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.1所示。本裝置分為幾個(gè)部分：圖3.1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖光源系統(tǒng)：白熾燈、透鏡組、單色儀、斬光器、起偏器。磁場(chǎng)系統(tǒng)：電磁鐵及供電電源、特斯拉計(jì)。樣品介質(zhì)：可選用費(fèi)爾得常數(shù)大的材料，一般是含重金屬或稀土離子的光學(xué)玻璃，樣品做成圓柱狀。旋光角檢

6、測(cè)系統(tǒng)：檢偏測(cè)角儀、前置放大器、鎖相放大器、光電倍增管及其電源和輸出指示。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.確定磁場(chǎng)及光電倍增管的旋鈕處于逆時(shí)針的最小位置，打開電源。2.磁場(chǎng)調(diào)零，光電倍增管電壓緩緩調(diào)至650 V，調(diào)節(jié)過程中注意輸出指示不可以過載。3.緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏調(diào)節(jié)旋鈕尋找消光點(diǎn)，記錄這個(gè)消光角，這就是法拉第轉(zhuǎn)角的零點(diǎn)。4.固定光的波長(zhǎng)，不斷增大磁場(chǎng)值，分別在處測(cè)量檢偏角，算出轉(zhuǎn)角。5. 再分別取波長(zhǎng)為，分別在處測(cè)量檢偏角。6. 換一個(gè)樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)。五數(shù)據(jù)處理1.第一個(gè)樣品樣品厚度（1） 波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下磁場(chǎng)強(qiáng)度0100200300400500600檢偏角68.064.560.456.452.047.443

7、.5法拉第轉(zhuǎn)角03.57.611.61620.624.5表5.1 時(shí)的數(shù)據(jù)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出關(guān)系圖像，以及對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)做直線擬合的結(jié)果如下：圖 5.1 由法拉第-費(fèi)爾德定律知與成線性關(guān)系，下面用最小二乘法求系數(shù)。對(duì)于具有線性關(guān)系的數(shù)據(jù)，系數(shù)，帶入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得，從而得費(fèi)爾德常數(shù)（2）波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下磁場(chǎng)強(qiáng)度0200400600檢偏角63.058.054.149.7法拉第轉(zhuǎn)角05.08.913.3表5.2 時(shí)的數(shù)據(jù)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出關(guān)系圖像如下：圖 5.2由公式可求得數(shù)據(jù)的線性系數(shù)，費(fèi)爾德常數(shù)（3）波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下磁場(chǎng)強(qiáng)度0200400600檢偏角63.758.654.549.4法拉第轉(zhuǎn)角05.

8、19.214.3表5.3 時(shí)的數(shù)據(jù)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出關(guān)系圖像如下：圖 5.3由公式可求得數(shù)據(jù)的線性系數(shù)，費(fèi)爾德常數(shù)2.第二個(gè)樣品 樣品厚度（1）波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下磁場(chǎng)強(qiáng)度0100200300400500600檢偏角68.462.756.752.148.243.639.7法拉第轉(zhuǎn)角05.711.716.320.224.828.7表5.4 時(shí)的數(shù)據(jù)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出關(guān)系圖像如下圖 5.4由公式可求得數(shù)據(jù)的線性系數(shù)，費(fèi)爾德常數(shù)（2）波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下磁場(chǎng)強(qiáng)度0200400600檢偏角67.261.855.447.1法拉第轉(zhuǎn)角05.411.820.1表5.5 時(shí)的數(shù)據(jù)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出關(guān)系圖像如下

9、：圖 5.5由公式可求得數(shù)據(jù)的線性系數(shù)，費(fèi)爾德常數(shù)（3）波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下磁場(chǎng)強(qiáng)度0200400600檢偏角64.560.055.950.4法拉第轉(zhuǎn)角04.58.614.1表 5.6根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出關(guān)系圖像如下：圖 5.6由公式可求得數(shù)據(jù)的線性系數(shù)，費(fèi)爾德常數(shù)3.兩種樣品的圖像（1）對(duì)于樣品一，數(shù)據(jù)如下：550633700-5.343-2.822-3.029表 5.7散點(diǎn)圖如下：圖 5.7可以看出費(fèi)爾德系數(shù)的數(shù)值隨著波長(zhǎng)的增大而逐漸變大，增長(zhǎng)速度逐漸變慢（2）對(duì)于樣品二，數(shù)據(jù)如下：550633700-6.160-4.331-3.013表5.8散點(diǎn)圖如下：圖 5.8可以看出費(fèi)爾德系數(shù)的數(shù)值隨

10、著波長(zhǎng)的增大而逐漸變大。六思考題1.材料的法拉第效應(yīng)的大小與哪些因素有關(guān)？答：根據(jù)公式，材料的法拉第效應(yīng)的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度，材料的厚度，以及材料的費(fèi)爾德常數(shù)有關(guān)，三者越大法拉第效應(yīng)越明顯。2.簡(jiǎn)述本實(shí)驗(yàn)測(cè)定法拉第轉(zhuǎn)角所采用的實(shí)驗(yàn)方法？答：光在通過偏振片時(shí)，不同的的偏振方向上的光吸收程度不同，偏振方向與入射光線平行時(shí)光通過最多，與入射光線垂直時(shí)光線被阻擋，所以本實(shí)驗(yàn)利用這一特點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器，尋找電流最小的角度，并通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度求出法拉第轉(zhuǎn)角。3.本實(shí)驗(yàn)的法拉第效應(yīng)和透明磁性材料的法拉第效應(yīng)有和異同？答：磁性材料在磁場(chǎng)的作用下自身發(fā)生極化產(chǎn)生磁場(chǎng)，與原有磁場(chǎng)疊加，所以磁性材料的法拉第效應(yīng)較強(qiáng)。