法拉第效应实验 - 复旦大学物理教学实验中心Fudan Physics.DOC

法拉第效应初探 （顾从真 复旦大学物理系06级） 摘要 本文简要概括了法拉第效应的历史、原理、步骤以及不同条件下的现象的记录分析和数据处理。 关键词 法拉第效应，磁光效应，旋光介质，偏振 引言 1845年，法拉第（Michael Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。 实验部分 实验目的 了解法拉第效应经典理论，初步掌握进行磁光测量的基本方法，对法拉第效应的现象和成因进行分析。 实验原理 一束平面波穿过介质，如果介质中沿光的传播方向加一个磁场，会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，符合公式， θ为法拉第效应旋光角；L为穿过介质的厚度；B为平行与光传播方向的磁感强度分量；V是比例系数，由工作物质和波长决定，表征物质磁光特性，称为费尔德(Verdet)常数。 几乎所有物质都有法拉第效应，但一般都不显著，规定V0为正旋，方向与产生磁场的螺线管中的电流方向一致。V0为负旋。 我们可以这样解释法拉第效应。 如图，我们把偏振光分成左旋和右旋部分，通过厚l的介质会产生不同相位差， 由量子理论，在B场作用下，介质轨道电子磁矩具有势能 是轨道角动量在B方向上的分量。 用能量为的左旋圆偏振光子激发电子，电子在磁场中能级结构与用能量为的光子激发电子，电子在无磁场时能级结构相同。推出， ， 进一步可得， 带入的关系式，有 的关系，所以可以由V和色散关系来验证荷质比的数值。 实验装置 法拉第效应实验装置如图所示。由光源产生的复合白光通过小型单色仪后可以获得波长在360～800nm的单色光，经过起偏镜成为单色线偏振光，然后穿过电磁铁。电磁铁采用直流供电，中间磁路有通光孔，保证人射光与磁场B方向一致。根据励磁电流的大小可以求得对应的磁场值。入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出人射到检偏器上，透过检偏器的光进入光电倍增管，由数显表显示光电流的大小，即出射光强的大小。根据出射光强最大(或最小)时检偏器的位置读数即可得出旋光角。检偏器的角度位置读数也由数显表读出。 实验内容 用实验室提供的光源和器材搭建光路，测定偏振光的转角。 用高斯计测定磁感强度随电流强度的变化 。 钠灯为光源，测定ZF6玻璃样品的θ-B曲线，求出V值。 改变波长，测θ随波长的变化规律 利用分光计求出折射率与波长的关系，验证荷质比e/m的数值。 实验数据与结果分析 成功验证了法拉第效应的性质——1）转角的大小与外界磁场大小成正比，如图2）对于ZF6这种特殊介质，Verdet常数在波长589nm附近的值：计算得到值为，与理论值有些差距。主要原因认为是晶体本身的性质可能与资料所说有一定偏差，可能有杂质等。也不排除波长和厚度（都无法直接测量，而是通过资料得到）的数值偏差以及温度的影响。3）令磁场反向变化取值，得到反向等大的偏角。说明对确定的介质，偏转方向只与磁场方向有关，与光的传播方向无关。 猜测V与关系，如图，使用对三价稀土金属离子的经验公式，得到的k值为0.274和0.240，有一定区别，可能有以下原因：1）值对应手轮读数的偏差（单位分别为25nm和0.25mm），偏差预计在10nm左右。2）公式本身的近似3）值取点不够多，但这要由精度决定，要先解决1）的问题。认为可以通过重新定标单色仪的方法来得到更精确的数值。然后取点更密集，得到准确的V与关系。多次求解取平均值法也是一个可以参考的方法。 验证荷质比，检验用量子理论对法拉第效应的分析计算得到荷质比平均值，与理论值（）比较误差为-1.6%。 (nm) (nm) e/m (c/kg) (第一组参数） e/m (c/kg) (第二组参数） 579.1 577.0 1.713E11 1.237E11 577.0 546.1 1.485E11 1.067E11 404.7 365.0 3.032E11 1.848E11 方法是对五根光谱线分成三组，求出和的值，再与一起带入上一步中求得的V与关系，求得系数中的荷质比的具体数值。见到表中荷质比波动很大，主要原因还是与2.中的一样，应当是由于取值不确定性太大引起的。所以多次测量后取平均值应该会更接近真实值。另外如果2.中公式的近似比较成功的话，准确的参数值应当在两组参数之间。认为实验结果基本证实了理论的解释。由这个实验，可以猜想圆偏振光是比线偏振光更为基本的光的传播形式，因为这里没有办法定位线偏