法拉第效應(yīng)參考模板范本

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法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)1845年8月，英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)原來沒有旋光性的重玻璃在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生旋光性，使偏振光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磁致旋光效應(yīng)后來稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)有許多應(yīng)用，特別是在激光技術(shù)中制造光調(diào)制器、光隔離器和光頻環(huán)行器，在半導(dǎo)體物理中測(cè)量有效質(zhì)量、遷移率等。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解法拉第效應(yīng)的原理；2．觀察線偏振光在磁場(chǎng)中偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，確定維爾德（Verdet）常數(shù)；3．驗(yàn)證偏振面旋轉(zhuǎn)角度、光波波長(zhǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)器材12v/100w鹵素?zé)?、法拉第效?yīng)實(shí)驗(yàn)儀、光電器件及平衡指示儀、三、實(shí)驗(yàn)原理介質(zhì)因外加磁場(chǎng)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(chǎng)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)（Faradayeffect）。它與克爾效應(yīng)一起揭示了光的電磁本質(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(chǎng)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(chǎng)不是非常強(qiáng)時(shí)，偏振面的旋轉(zhuǎn)角度與介質(zhì)的厚度S及磁感應(yīng)強(qiáng)度在光的傳播方向上的分量B成正比（1）比例系數(shù)V成為維爾德（Verdet）常數(shù)，它取決于光的波長(zhǎng)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(chǎng)的方向決定，而與光的傳播方向無(wú)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。表1.幾種材料的維爾德常數(shù)V物質(zhì)波長(zhǎng)（nm）維爾德V（弧分/特斯拉·厘米）水CS2輕火石玻璃重火石玻璃鈰磷酸玻璃YIG（YTb）IG589.3589.3589.3589.3500.0830.012701.31×1024.17×1023.17×1028～10×1023.26×1032.04×1063.78×103線偏振光可看作兩個(gè)相反偏振量σ+和σ–的圓偏振光的相干疊加，從原子物理知識(shí)可知，磁場(chǎng)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=,這里e和m分別為振蕩粒子的電荷和質(zhì)量，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。線偏振光的σ+和σ–分量有不同的旋進(jìn)頻率，分別為和，相應(yīng)的折射率n+和n-，相速度v+和v-3/3

1法拉第效應(yīng)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(zhǎng)度S決定,即（2）上式中，c為光速，為入射光的頻率，上式的推導(dǎo)較為簡(jiǎn)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μ=-（3）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(chǎng)B中，一個(gè)電子磁矩具有勢(shì)能:EPEP=-μ·B=·B=（4）其中為電子的軌道角動(dòng)量沿磁場(chǎng)方向的分量。當(dāng)平面偏振光在磁場(chǎng)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（）。因此電子的勢(shì)能增加了（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(shì)能增加同時(shí)，光子的能量減少了。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)光子的能量減少了時(shí)，n=n（-），函數(shù)形式未發(fā)生改變。將n在n（）附近展開有n=n（-）≈n（）±（6）將（5）式代入（6）式有n≈n（）±（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(zhǎng)表示（），則有（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(chǎng)強(qiáng)度B正比3/3

2法拉第效應(yīng)，并且和入射光的波長(zhǎng)及介質(zhì)的色散有關(guān)。若用CGS單位制，則有，（9）將（9）式代入（1）式有，V=(10)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1．調(diào)整磁場(chǎng)B=f(I);I為線圈電流移去火石玻璃（柱），按操作說明書，用O-1000MT/3000MT有源組件將切向場(chǎng)探測(cè)器（霍爾元件）連接到可交換標(biāo)度計(jì)量?jī)x，用定標(biāo)磁場(chǎng)校準(zhǔn)切向場(chǎng)探測(cè)器,在將切向場(chǎng)探測(cè)器放在極片之間，記錄磁場(chǎng)強(qiáng)度B（B是勵(lì)磁電流I的函數(shù)）。2．驗(yàn)證磁場(chǎng)強(qiáng)度B與偏振面旋轉(zhuǎn)角度之間的正比關(guān)系。在遮光板架上插入波長(zhǎng)為450nm的濾波片，在將火石玻璃放在極片之間，通過控制勵(lì)磁電流I得到需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。將檢偏器調(diào)到00，旋轉(zhuǎn)起偏器找到光強(qiáng)極小值。不改變勵(lì)磁電流I大小，使磁場(chǎng)反向，旋轉(zhuǎn)起偏器找到光強(qiáng)極小值，而后撤去磁場(chǎng)，從光路中移去濾波片，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器至光強(qiáng)極大處，讀出十字叉絲線的位置。改變勵(lì)磁電流I的值，重復(fù)測(cè)量。3．維爾德（Verdet）常數(shù)隨光波波長(zhǎng)的變化。在光路中裝上不同波長(zhǎng)的濾波片，將交叉線調(diào)至零，磁場(chǎng)達(dá)到最大，步驟同2。五、思考題1．法拉第旋光效應(yīng)與蔗糖溶液的自然旋光性有何不同？2．維爾德（Verdet）常數(shù)與哪些物理量有關(guān)？3．如果有些樣品同時(shí)具有自然旋光性或雙折射性等，怎樣消除它們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。3/3