試驗三氣體分子極化率的測量課件

實驗三氣體分子極化率的測量組別:A3實驗?zāi)康?，原?、2，公式推導(dǎo):呂宜欣原理3，實驗儀器，步驟，作圖，數(shù)據(jù)處理:陳冠妤實驗?zāi)康牟t解介電質(zhì)折射率一般性質(zhì)熟悉雷射和光學(xué)儀器的操作利用麥克森干涉儀(Michelson

Interferometer)求氣體折射率原理光與介電值的作用雷射光的特性麥克森干涉儀(MichelsonInterferometer)原理1.光與介電值的作用永久偶極矩(permanentdipolemoment):

分子因負(fù)電荷中心和正電荷中心未重合

e.g.Liquidwater定向極化(OrientationPolarization):

→P(or)

具永久偶極矩之分子置於靜電場中時，因受外電場影響，原先任意排列之分子會旋轉(zhuǎn)某一角度，盡量使偶極矩和電場成直線→電場極化(polarize)此分子

WithoutfieldWithfield感應(yīng)偶極矩(induceddipolemoment):

分子不帶有擁有偶極矩，但置於電場時，電場使分子的正負(fù)電荷分離，造成暫時性的偶極矩

1.電子雲(yún)被吸引脫離中心核所在位置→P(el)2.分子鍵stretching、bending所造成各原子上有效電荷不同(如O-C-O)→P(d)

電子、原子之畸變極化(DistortionPolarization)

總極化度P和介電係數(shù)ε(dielectricconstant之關(guān)係→Clausius-Mossotti關(guān)係

M：分子量ρ：密度總極化度

振盪電場頻率→IR範(fàn)圍→分子沒有時間在電場轉(zhuǎn)換前旋轉(zhuǎn)→所測極化度無定向極化P(or)→只剩下畸變極化P(el)+P(d)振盪電場頻率→可見光範(fàn)圍→分子畸變影響消失P(d)只剩下電子雲(yún)的畸變影響P(el)→只剩下電子畸變極化度P(el)

只有電子畸變極化P(el)情況下→ε：介電係數(shù)

n：折射率(refractiveindex)

α：分子極化率

N0：亞佛加厥數(shù)

根據(jù)Clausius-Mossotti關(guān)係→

→代入

→得Lorentz方程式由泰勒展開式定義

得

假設(shè)氣體1折射率為n1密度為ρ1氣體2折射率為n2密度為ρ2

代入得→可由折射率求α值導(dǎo)證假設(shè)真空速率v0

氣體1中速率v1氣體2中速率v2時間差t容器長度d

速率定義波程差2.雷射光的特性相同的波長相同的前進方向相同的相位高斯光束(Gaussianbeam)光束橫截面強度

I0：光束中心強度

w：光束半徑→強度1/e2之處

χ：至光束中心的距離當(dāng)光傳播時，光束半徑及球面的曲率半徑會一直改變

W0：雷射光腰身(waist)半徑

λ：雷射光波長

Z：光束中心至腰部的距離Z3.Michelson'sInterferometer

麥克森干涉儀Michelson'sInterferometer

麥克森干涉儀Constructiveinterference建設(shè)性干涉:兩束光干擾時→疊加在屏幕上為亮區(qū)Destructiveinterference破壞性干涉:兩束光干擾時→相消在屏幕上為暗區(qū)原理雷射光經(jīng)過分光鏡分割成反射及穿透兩道光束；反射光經(jīng)由M2(固定鏡)反射，以原路徑折返，穿過分光鏡，到達屏幕。穿透光則由

M1(可動鏡)反射，同樣由原路徑折返，再經(jīng)由分光鏡反射，到達屏幕

兩道經(jīng)由M1、M2反射的光束，其光程分別為d1、d2，若光程差為波長的整數(shù)倍，平幕上會出現(xiàn)同心圓的干涉條紋光程差滿足下列公式：同心圓干涉條紋當(dāng)光程中的的折射率改變,→干涉條紋易發(fā)生改變利用光程差推得折射率在螢?zāi)簧系哪骋黄路寤虿ü忍幑潭ㄒ稽c改變氣體折射率→干涉條紋會移動，不斷通果此點當(dāng)通過m個干涉條紋→光程差為mλ經(jīng)由

光程差推得折射率實驗儀器

Instrument實驗儀器雷射光源：發(fā)射雷射光凸透鏡：聚焦分光鏡：Splitter，使光一半通過，一半反射固定鏡：

設(shè)其與Splitter間之距離為Ｆ調(diào)整扭：調(diào)整固定鏡面移動鏡：設(shè)其與Splitter間之距離為ＭGasCell：折射率不同，Ｍ改變，干涉條紋亦變螢?zāi)唬和队俺銮宄母缮鏃l紋儀器裝置圖實驗流程

SequenceOfProcesses

實驗步驟操作方式1.打開雷射光電源(溫機10分鐘)2.連接水銀壓力計和壓力錶，做壓力錶校正3.調(diào)整雷射光使通過可動性鏡面中心4.使反射光反射回分光鏡調(diào)整至屏幕

(此時屏幕有一主要光點，兩次要光點)5.調(diào)整分光器使兩光點重合，出現(xiàn)干涉條紋6.打開空氣幫浦抽至低壓，再讓其升至1atm觀察壓力與干涉條紋的變化7.記錄並處理數(shù)據(jù)、作圖實驗作圖及數(shù)據(jù)處理

水銀高度平均壓力計讀數(shù)NO.1NO.2NO.3NO.4

1

2

3

4

5

6

7

干涉條紋波紋差(個)平均壓力計讀數(shù)NO.1NO.2NO.3NO.4

1

2

3

4

5

6

7

波紋差水銀高度差(cm-Hg)壓力差(atm)n-n'ρ-ρ'極化率α壓力計讀數(shù)

1

2

3

4

5

6

7

實驗做圖數(shù)據(jù)處理流程

求(n-n’)mλ=2d(n-n’)n-n’=mλ/2dm=波紋差

λ=雷射光波長=6328?=6328x10-8

cmd=氣體容器長度數(shù)據(jù)處理流程求α公式解

作圖解以?n對?ρ作圖，斜率即為kαk=2πN0/M

→分子內(nèi)電子結(jié)構(gòu)和折射率間的關(guān)係P(el)和α成正比分子內(nèi)電場易受電場分離→α越大資料來源http://w