近代物理实验义 实验3法拉第旋光效应 法拉第(Michael Faraday,1791一1867，英国物理学家和化学家)认为，光是一种电磁波，则 磁场和光之间一定有某种关系。因此，他试图发现磁场作用于发光原子时光谱线发生的变化（塞曼 效应)，但由于当时没有足够强的磁场而未获成功。但法拉第于1845年发现当磁场作用在一块玻 璃上，平面偏振光在玻璃中沿着磁场传播会发生光的振动面旋转的现象。这一效应就称为法拉第 旋光效应。 【实验原理】 1.天然旋光现象 当线偏振光通过某些透明物质（如石英、糖溶液、酒石酸溶液等）后.其振动面将以光的传播方 向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。1811年阿拉果首先发现石英有旋光现象，以后 毕奥(JB,B1O)和其他人又发现许多有机液体和有机物溶液也具有旋光现象。凡能使线偏振光 振动面发生旋转的物质称为旋光物质，或称该物质具有旋光性。 石黄片 图3.1石英的旋光现象 如图3.1所示，P和B分别为起偏器和检偏器（正交）.。显然，在没有旋光物质时，乃后面 的视场是暗的。当在P和B,之间加入旋光物质后，乃，后的视场将变亮，将P,庭转某一角度后， 视场又将变暗。这说明线偏振光透过旋光物质后仍然是线偏振光，只是其振动面旋转了一个角度 振动面旋转的角度称为旋光度，用p表示。 线偏振光通过旋光晶体时，旋光度印和晶体厚度d成正比，即 9=ad (3.1) 式中，α是比例系数，与旋光品体的性质、温度以及光的频率有关，称为该晶体的旋光率。 不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面向不同的方向旋转，人们对旋光方向作下述约定： 迎者光传播方向观察，若出射光振动面相对于入射光扳动面沿顺时针方向旋转为右旋：沿逆时针 方向旋转称为左旋。 在图31中，若在P前加一个白色光源，由于不同波长的光旋转角度不同，因此到达P时有 一部分光能透过去，有些光透不过去，有些能部分透过去，所以P后的视场是彩色的，旋转P其
近代物理实验讲义 24 实验 3 法拉第旋光效应 法拉第（Michael Faraday，179l—1867，英国物理学家和化学家）认为，光是一种电磁波，则 磁场和光之间一定有某种关系。因此，他试图发现磁场作用于发光原子时光谱线发生的变化(塞曼 效应)，但由于当时没有足够强的磁场而未获成功。但法拉第于 1845 年发现当磁场作用在一块玻 璃上，平面偏振光在玻璃中沿着磁场传播会发生光的振动面旋转的现象。这一效应就称为法拉第 旋光效应。 【实验原理】 1. 天然旋光现象。 当线偏振光通过某些透明物质(如石英、糖溶液、酒石酸溶液等)后．其振动面将以光的传播方 向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。1811 年阿拉果首先发现石英有旋光现象，以后 毕奥（J. B. Biot）和其他人又发现许多有机液体和有机物溶液也具有旋光现象。凡能使线偏振光 振动面发生旋转的物质称为旋光物质，或称该物质具有旋光性。 图 3.1 石英的旋光现象 如图 3.1 所示， P1 和 P2 分别为起偏器和检偏器（正交）。显然，在没有旋光物质时， P2 后面 的视场是暗的。当在 P1 和 P2 之间加入旋光物质后， P2 后的视场将变亮，将 P2 旋转某一角度后， 视场又将变暗。这说明线偏振光透过旋光物质后仍然是线偏振光，只是其振动面旋转了一个角度。 振动面旋转的角度称为旋光度，用ϕ 表示。 线偏振光通过旋光晶体时，旋光度ϕ 和晶体厚度 d 成正比，即 ϕ = αd （3.1） 式中，α 是比例系数，与旋光晶体的性质、温度以及光的频率有关，称为该晶体的旋光率。 不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面向不同的方向旋转．人们对旋光方向作下述约定： 迎着光传播方向观察，若出射光振动面相对于入射光扳动面沿顺时针方向旋转为右旋；沿逆时针 方向旋转称为左旋． 在图 3.1 中，若在 P1 前加一个白色光源，由于不同波长的光旋转角度不同，因此到达 P2时有 一部分光能透过去，有些光透不过去，有些能部分透过去，所以 P2 后的视场是彩色的，旋转 P2 其
法拉第旋无效应 色彩会发生变化，这种现象叫做旋光色散。 2.旋光现象的菲涅耳解释。 菲涅耳提出了一种唯象理论来 解释物质的旋光性质。线偏振光可 以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏 振光。左旋圆偏振光和右旋圆偏振 光以相同的角速度沿相反方向旋 转，它们合成为在一直线上振动的 线偏振光。在旋光物质中左旋圆偏 振光和右旋圆偏振光传播的相速度 山)保无先腰资有贤整韩舟物 不相同。 假定右旋圆偏振光在某旋光物 图3,2旋光现象的唯象解释 质中传播速度比左旋圆偏振光的速度快，在旋光物质出射面处观察，由于右旋圆偏振光速度快， 因此右旋圆偏振光振幅旋转过的角度较大，在出射面处，两圆偏光合成的线偏振光E,的振动方 向比起原来（进入旋光物质前）的振动方向E来，顺时针方向转过角度日，这就是右旋。当材料 中左旋圆偏振光的相速度较大时，就是左旋光材料。 3.磁致旋光。 前面介绍的是物质的天然旋光性，实际上，有些物质本身不具有旋光性，但在磁场作用下就 育旋光性了 就是前面介绍的法拉第旋光效应， 也叫磁致旋光效应 磁致旋光中振动面的旋转角和样品长度L及磁感应强度B成正比，即有 o=VLB (3.2) 式中V是一个与物质的性质、光的频率有关的常数，称为维尔德(Verdet)常数。某些物质的维尔德 常数值见表3.1。 磁致旋光也有左右之分.我们规定：当光的传播方向和磁场方向平行时（如图3.5），迎着光的 方向观察，光的振动面向左旋转（逆时针），则维尔德常数为正。 25
法拉第旋光效应 25 色彩会发生变化，这种现象叫做旋光色散。 2. 旋光现象的菲涅耳解释。 菲涅耳提出了一种唯象理论来 解释物质的旋光性质。线偏振光可 以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏 振光。左旋圆偏振光和右旋圆偏振 光以相同的角速度沿相反方向旋 转，它们合成为在一直线上振动的 线偏振光。在旋光物质中左旋圆偏 振光和右旋圆偏振光传播的相速度 不相同。 假定右旋圆偏振光在某旋光物 质中传播速度比左旋圆偏振光的速度快，在旋光物质出射面处观察，由于右旋圆偏振光速度快， 因此右旋圆偏振光振幅旋转过的角度较大，在出射面处，两圆偏光合成的线偏振光 EP的振动方 向比起原来(进入旋光物质前)的振动方向 EP0 来，顺时针方向转过角度θ ，这就是右旋。当材料 中左旋圆偏振光的相速度较大时．就是左旋光材料。 3. 磁致旋光。 前面介绍的是物质的天然旋光性，实际上，有些物质本身不具有旋光性，但在磁场作用下就 有旋光性了，就是前面介绍的法拉第旋光效应，也叫磁致旋光效应。 图 3.3 法拉第效应 图 3.4 磁致旋光 磁致旋光中振动面的旋转角ϕ 和样品长度 L 及磁感应强度 B 成正比，即有 ϕ = VLB （3.2） 式中V 是—个与物质的性质、光的频率有关的常数，称为维尔德(Verdet)常数。某些物质的维尔德 常数值见表 3.1。 磁致旋光也有左右之分．我们规定：当光的传播方向和磁场方向平行时(如图 3.5)，迎着光的 方向观察，光的振动面向左旋转(逆时针)，则维尔德常数为正。 图 3.2 旋光现象的唯象解释
近代物理实验诱义 4.磁致旋光的经典唯象解释。 可以用唯象模型来说明磁致旋光效应。电了 在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的电场作用下 作左旋和右旋圆周运动，电子运动平面与磁场垂 直。电子在磁场中受到洛仑兹力，其方向向着电 子轨道中心或背着轨道中心，视速度的方向而定 》天气旋 (见图32)。注意：电子本身带负电荷。在洛仑效 力向者轨道中心的情况中，电子受到的向心力增 加，电子旋转速率增大。在洛仑兹力背向轨道中 心的情况中，电子旋转变慢。电子旋转快慢的变 反镜 化影响了圆偏振光电场矢量旋转角速度。当光从 b)进政旋为 磁光媒质出射时重新合成线偏振光。由于在媒质 中左旋和右旋的速率不同，合成偏振光的振动面 图3.5天然旋光与磁致旋光的比较 转过了一个角度。从图上可以看出，电子旋转速 率变化只决定于磁场方向与电子旋转方向，而与光的传播方向无关。 值得注意的是，天然旋光的旋转方向与光的传播方向有关，而磁致旋光的旋转方向与光的传 播方向无关，而决定于外加磁场的方向。如图3.5所示，若将出射光再反射回品体，则通过天然 旋光晶体的线偏光沿原路返回后振动面将回复原位，而通过磁致旋光晶体的线偏光将继续旋光， 共振动面与原振动面夹角更大。 磁致旋转现象是由于外磁场存在时物质的原子或分子中的电子进动而引起的。这种进动的结 果，使物体对顺时针与逆时针的圆偏振光产生不同的折射率。因此方向不同的圆偏振光的传播速 度不同，引起了振动面的旋转。 【仪器用具】 LED发光二极管（或白光光源和滤波片），偏振片，透镜，直流励磁电源，导轨，偏振片，集 成霍尔元件，稳压电源等 【实验内容】 1.自搭电路，用集成霍尔原件(UGN3503)测磁场。 2.测量励磁电流1与磁场B之间的对应关系。 3.分别测量不同波长、不同磁场强度下的旋光角度日。注意：测量时要改变磁场方向。 4.记录晶体长度。 【激据处理要求】 1.做B1曲线图： 2.根据测量数据作不同波长下磁场强度与旋光度的曲线图，即-B图： 3.计算不同波长的维尔德常数V:
近代物理实验讲义 26 4. 磁致旋光的经典唯象解释。 可以用唯象模型来说明磁致旋光效应。电子 在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的电场作用下 作左旋和右旋圆周运动，电子运动平面与磁场垂 直。电子在磁场中受到洛仑兹力，其方向向着电 子轨道中心或背着轨道中心，视速度的方向而定 (见图 3.2)。注意：电子本身带负电荷。在洛仑兹 力向着轨道中心的情况中，电子受到的向心力增 加，电子旋转速率增大。在洛仑兹力背向轨道中 心的情况中，电子旋转变慢。电子旋转快慢的变 化影响了圆偏振光电场矢量旋转角速度。当光从 磁光媒质出射时重新合成线偏振光。由于在媒质 中左旋和右旋的速率不同，合成偏振光的振动面 转过了一个角度。从图上可以看出，电子旋转速 率变化只决定于磁场方向与电子旋转方向，而与光的传播方向无关。 值得注意的是，天然旋光的旋转方向与光的传播方向有关，而磁致旋光的旋转方向与光的传 播方向无关，而决定于外加磁场的方向。如图 3.5 所示，若将出射光再反射回晶体，则通过天然 旋光晶体的线偏光沿原路返回后振动面将回复原位，而通过磁致旋光晶体的线偏光将继续旋光， 其振动面与原振动面夹角更大。 磁致旋转现象是由于外磁场存在时物质的原子或分子中的电子进动而引起的。这种进动的结 果，使物体对顺时针与逆时针的圆偏振光产生不同的折射率。因此方向不同的圆偏振光的传播速 度不同，引起了振动面的旋转。 【仪器用具】 LED 发光二极管（或白光光源和滤波片），偏振片，透镜，直流励磁电源，导轨，偏振片，集 成霍尔元件，稳压电源等 【实验内容】 1． 自搭电路，用集成霍尔原件（UGN3503）测磁场。 2． 测量励磁电流 I 与磁场 B 之间的对应关系。 3． 分别测量不同波长、不同磁场强度下的旋光角度θ 。注意：测量时要改变磁场方向。 4． 记录晶体长度。 【数据处理要求】 1． 做 B-I 曲线图； 2． 根据测量数据作不同波长下磁场强度与旋光度的曲线图，即ϕ − B图； 3． 计算不同波长的维尔德常数 V； 图 3.5 天然旋光与磁致旋光的比较
法拉第旋光效应 4.根据上述结果，对实验结果进行分析，并给出结论。 表3,1几种物质的维尔德(Verdet)常数（在589.3nm偏振光照射下 烈度 物黄 (度/高素，明米》 (蕉度/特-米)《分/特米) 轻火石 0.017 5.28×10 62 3.17x10 水品（垂直光轴） 0.016 2、77×10 食 10 0.0359 5.98×10 ×10 20 0.0131 2.18×10- 3. 1.3110 二化误 20 0.0423 7.05×10 12.30 4.23410 空气· 06.27x10 1.04×107 0.00182 6.27 ·=578.0um和p=760mmHg 【附录】 UGN3S03是集成线性霍尔元件。当磁场为零时，在电源和地线之间加上5V左右的电压， 输出电压为2,5V,有磁场时，输出电压与磁场的关系为 B.0-25 (Ka=1.3m1G) Kn K,是霍尔元件的灵敏度。只要测出输出电压，就可以算出磁场强度B。 _UGN3503型集成靠尔元件 尔 木IN4004 分宜大 图3.6集成霍尔元件组装特斯拉计
法拉第旋光效应 27 4． 根据上述结果，对实验结果进行分析，并给出结论。 表 3.1 几种物质的维尔德(Verdet)常数（在 589.3nm 偏振光照射下） 【附录】 UGN3503 是集成线性霍尔元件。当磁场为零时，在电源和地线之间加上 5V 左右的电压， 输出电压为 2.5V，有磁场时，输出电压与磁场的关系为 KH U B − 2.5 = ，（ KH =1.3mV /G） KH 是霍尔元件的灵敏度。只要测出输出电压，就可以算出磁场强度 B。 图 3.6 集成霍尔元件组装特斯拉计