近代物理实验(法拉第效应)

近代物理实验【实验名称】法拉第效应【实验目的】1.了解磁光效应现象和法拉第效应的机理。2.测量磁致旋光角，验证法拉第—费尔德定律θ=VBL。3.法拉第效应与自然旋光的区别。4.了解磁光调制原理。【实验仪器】1、光源系统：白炽灯光源，单色仪，聚光灯筒，起偏镜；2、磁场系统：电磁铁，激磁电源，高斯计；3、样品介质系统：样品介质，样品盒；4、旋光角监测系统：检偏测角仪，光电倍增管，直流复射式检流计，高压电源；【实验原理】介质因外加磁场而改变其光学性质的现象称之为磁光效应。其中，光通过处于磁场中的物质时偏振面发生旋转的效应较为重要，我们称这种偏振面的磁致旋转效应为法拉第效应。它与克尔效应一起揭示了光的电磁本质，是光的电磁理论的实验基础。法拉第在寻找磁与光现象的联系时首先发现了线偏振光在通过处于磁场当中的各向同性介质时其偏振面发生旋转的现象。在磁场不是非常强时，偏振面的旋转角度与介质的长度及磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比BlV（1）比例系数V成为维尔德（Verdet）常数，它取决于光的波长和色散关系，一般物质的维尔德常数比较小，表1给出了几种材料的维尔德常数V。法拉第效应与自然旋光不同。在法拉第效应中对于给定的物质，光矢量的旋转方向只由磁场的方向决定，而与光的传播方向无关，即当光线经样品物质往返一周时，旋光角将倍增。线偏振光可看作两个相反偏振量σ+和σ–的圆偏振光的相干叠加，从原子物理知识可知，磁场将使原子中的振荡电荷产生旋进运动，旋进的频率等于拉莫尔频率，即L=Bme,这里e和m分别为振荡粒子的电荷和质量，B为磁场强度。线偏振光的σ+和σ–分量有不同的旋进频率，分别为L和L，相应的折射率n+和n-，相速度v+和v-都不同，而在光学行为中是等效的，偏振面旋转角由下述等式得到，旋转角由光通过的材料长度l决定,即lcnn2)(（2）上式中，c为光速，为入射光的频率，上式的推导较为简单，是建立在经典电磁理论的基础之上。由量子理论知道，介质中原子的轨道电子磁矩µ=-Lme2（3）式中，e为电子电荷，m为电子质量，L为轨道角动量，在磁场B中，一个电子磁矩具有势能:EPEP=-µ·B=Lme2·B=zLmeB2（4）其中zL为电子的轨道角动量沿磁场方向的分量。当平面偏振光在磁场B作用下通过样品介质时，光子与束缚电子发生相互作用，光子使束缚电子由基态激发到高能态，处于激发态的电子吸收了光量子的角动量zL（2/h）。因此电子的势能增加了PEmeBmeBLmeBEzP2)(22（5）其中正号对应于左旋圆偏振光量子，负号对应于右旋圆偏振光量子，在电子的势能增加PE同时，光子的能量减少了EPE。由量子理论知道，光子具有的能量为，样品介质对光子的折射率n=n（）。当光子的能量减少了EPE时，n=n（-PE），函数形式未发生改变。将n在n（）附近展开有n=n（-PE）≈n（）±ddnEP（6）将（5）式代入（6）式有n≈n（）±ddnmeB2（7）正号为介质对左旋光的折射率，负号为介质对右旋光的折射率。将上式代入（2）式，并用波长表示（/2c），则有ddnmceBl2（8）上式表明法拉第旋光角的大小与样品介质厚度S、磁场强度B正比，并且和入射光的波长及介质的色散ddn有关。若用CGS单位制，则有，ddnmceBl22（9）将（9）式代入（1）式有，V=ddnmce22(10)【实验步骤】1.调整磁场B=f(I);I为线圈电流；2.验证磁场强度B与偏振面旋转角度之间的正比关系。3.维尔德（Verdet）常数随光波波长的变化。【实验数据与处理】0.5A'161'081'011'08168’1.0A'522'562'462'512171’1.5A'264'593'014'084248’2.0A'544'204'523'224262’2.5A'056'405'365'475374’3.0A'207'496'306'536413’电流（A）0.51.01.52.02.53.0磁场（T）0.100.300.420.540.620.70根据公式BlV，当68’，B=0.1T，l1cm时费尔德常数V=680弧分/特斯拉·厘米当171’，B=0.3T，l1cm时费尔德常数V=570弧分/特斯拉·厘米当248’，B=0.42T，l1cm时费尔德常数V=590弧分/特斯拉·厘米当262’，B=0.54T，l1cm时费尔德常数V=485弧分/特斯拉·厘米当374’，B=0.62T，l1cm时费尔德常数V=603弧分/特斯拉·厘米当413’，B=0.70T，l1cm时费尔德常数V=590弧分/特斯拉·厘米【实验总结】1.当励磁电流较高时（2A以上），螺线管会发热，属正常现象。但如果工作时间较长，应断电冷却后再继续工作。2.螺线管两端有挡片，玻璃样品只能从螺线管有活动挡片的一端放入/取出。实验中注意不要打碎样品。3.实验结束时要将磁场电流减小到0，关掉仪器电源，整理好仪器，填写好仪器记录。