2.ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ
ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ (ЭФФЕКТ
ФАРАДЕЯ).
Выполнение работы
Контрольные вопросы
Литература
Цель работы: изучение явления вращения
плоскости поляризации света в магнитном поле. Установление физического
механизма этого явления. Определение постоянной Верде.
Приборы и
принадлежности: сахариметр СУ-2, соленоид, выпрямитель ВСА-5К, дистиллированная
вода.
Теория
вращения плоскости поляризации света в магнитном поле
Вещества, в которых оптические свойства (диэлектрическая
проницаемость, скорость света) зависят от направления распространения света,
называются анизотропными. Некоторые анизотропные вещества (кварц, исландский
шпат и др.), известные как оптически
активные среды, способны в естественном состоянии поворачивать на определенный
угол 
в зависимости от
толщины плоскость колебаний электрического вектора, проходящей через них
световой волны. Отметим, что плоскостью поляризации называется плоскость, в
которой колеблется вектор индукции магнитного поля световой волны, а не вектор
напряженности электрического поля световой волны, т.е. плоскость в которой
лежат вектор индукции магнитного поля волны В
и волновой вектор k. Одновременно могут наблюдаться
процессы искусственной анизотропии. Они сводятся к следующему. Вещества,
оптически не активные в естественном состоянии, приобретают способность
поворачивать плоскость электрического вектора светового луча при воздействии на
них различных внешних факторов, так
называемая искусственная анизотропия. Это – механическое напряжение,
электрическое или магнитное поля и др.
Особый интерес представляет искусственная анизотропия и вращение плоскости поляризации, наблюдаемое
под действием магнитного поля. Впервые этот эффект исследован Фарадеем и назван
его именем. Он наблюдается только при распространении света вдоль направления
магнитного поля. Поэтому для наблюдения эффекта Фарадея в полюсных наконечниках
электромагнита просверливают отверстия, через которые пропускается световой
луч. Исследуемое вещество помещается между полюсами электромагнита. Одна из
возможных схем магнитного вращения плоскости поляризации показана на рис.1.
Для
наблюдения вращения плоскости
поляризации устанавливают поляризатор и анализатор во взаимно
перпендикулярных направлениях. При этом говорят, что поляризатор и анализатор установлены на темноту (скрещены), т.е. свет через такую
систему не проходит. Затем включают ток в цепи электромагнита. Вследствие
действия магнитного поля, создаваемого при этом, вещество переходит в оптически
активное состояние, и это обеспечивает поворот плоскости поляризации на некоторый
угол , зависящий от величины напряженности магнитного поля. В
результате поле зрения просветляется и через систему проходит свет. Поворачивая
анализатор, можно снова установить систему снова на темноту. Угол поворота анализатора
, наблюдаемый при этом, и составляет величину эффекта Фарадея.
Если для наблюдателя,
смотрящего вдоль направления поля, поворот плоскости поляризации происходит
вправо, то такое вещество называется правовращающимся, или положительным; влево
- левовращающимся, или отрицательным. Направление вращения плоскости поляризации
зависит от направления поля В. При изменении
направления поля поворот плоскости поляризации происходит на тот же
угол, но в другую сторону.
При внесении в магнитное
поле оптически активных материалов их естественный угол поворота складывается с
углом поворота, вызванным магнитным полем. Магнитное вращение плоскости
поляризации обусловлено влиянием внешнего магнитного поля на вещество. Под
воздействием магнитного поля электроны, входящие в состав атомов или молекул вещества,
начинают прецессировать с некоторой частотой,
называемой ларморовой. В результате изменяется
характер вынужденных колебаний электронов и механизм вторичных световых волн,
излучаемых ими. Это в свою очередь и
приводит к вращению плоскости поляризации.
Магнитное вращение
плоскости поляризации тесно связано с эффектом Зеемана - расщеплением
спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Как известно, при
наблюдении света, распространяющегося вдоль направления магнитного поля, каждая
спектральная линия, испускаемая атомами в магнитном поле, расщепляется на две линии, обладающие
циркулярной поляризацией. Это означает, что в магнитном поле, резонансные
частоты атомов для право - и лево поляризованного света сдвинуты друг
относительно друга. Можно показать, что сдвиг резонансных частот приводит к различию в показателях
преломления и, следовательно, к постепенному повороту плоскости поляризации
волны, проходящей сквозь среду.
Количественно
угол поворота плоскости поляризации в эффекте Фарадея определяется выражением
= R L B, (1)
где L -
длина пути света в исследуемом веществе, помещенном в магнитное поле индукцией В, R – постоянная Верде или удельное магнитное вращение, которое
определяется природой вещества. Поэтому, если вещество освещается белым светом,
анализатор может гасить лишь колебания определенных длин волн и полного
затемнения получить невозможно. В связи с этим исследования эффекта Фарадея
проводят с использованием светофильтров.
Зависимость постоянной Верде от длины волны имеет следующий вид
, (2)
где А, В - постоянные. Величина угла поворота
плоскости поляризации зависит от
температуры. Для большинства веществ эта величина уменьшается, хотя
незначительно: всего на 0,001 радиан при нагревании вещества на 10
С.
В настоящей
работе исследование эффекта Фарадея и
установление зависимости угла вращения от величины магнитного поля достигается
с помощью установки на базе сахариметра
СУ-3 (описание СУ-3 и методика определения угла
поворота плоскости поляризации выдается в лаборатории).
Выполнение
работы
В качестве вещества,
переводимого в оптически активное состояние под действием магнитного поля,
используется дистиллированная вода. При установке кюветы, наполненной водой,
между анализатором и поляризатором и включении тока в цепи соленоида и достижении магнитного поля
определенного уровня нарушается
равенство освещенности половин поля зрения. Это происходит по причине того, что
вода под действием магнитного поля приобретает оптическую активность и вращает
плоскость поляризации, т.е. наблюдается эффект Фарадея. Отметим, что до
включения магнитного поля добиваются равенства освещенности половин поля
зрения. Вращая анализатор, снова добиваются равенства освещенностей половин
поля зрения.
В данной работе
определяют углы вращения плоскости поляризации 
1 и 2, происходящие при наложении магнитного поля разного направления, осуществляемого
изменением направления тока через соленоид. По данным 1 и 2 вычисляют
средний угол
.
Значение магнитного поля необходимо определить
по формуле
(3)
где L - длина соленоида в
метрах, N - число его витков, I - сила тока в Амперах.
Измерение
углов 1, 2 и соответствующего значения следует производить не менее пяти раз,
отвечающих различным значениям величины магнитного поля, варьируемого путем
увеличения силы тока в цепи соленоида до 5 А.
В процессе измерений
необходимо помнить, что их следует выполнять достаточно быстро и на
соленоид напряжение подавать только в
момент измерения. Это делается с целью исключения нагрева соленоида и повышения
температуры воды.
Дополнительными
экспериментами, которые выполняются также как и перечисленные, но в отсутствие
магнитного поля, следует убедиться в том, что вода не обладает свойством
естественного вращения плоскости поляризации, т.е. при внесении между
поляризаторами кюветы с дисциллировонной водой без
магнитного поля не происходит нарушения равенства освещенностей
половин поля зрения.
На основе выполненных
измерений следует:
1. Построить график зависимости угла от величины вектора магнитной индукции и
установить характер зависимости = f(B).
2. На основе графика = f(B) или формулы (1) определить постоянную
Верде.
3. Согласно теории эффекта
Фарадея постоянная Верде равна
. (4)
Здесь e, m
-заряд и масса электронов вещества, помещенного в магнитное поле, участвующих
во взаимодействии со светом, c -
скорость света в вакууме, 
- длина световой
волны, используемой в исследованиях эффекта Фарадея, 
- производное показателя преломления вещества от длины волны.
Для воды при длине волны = 6000 
, которая близка к используемой в
данной работе, величина = 310 -6 
-1.
Пользуясь заданными
значениями , , скорости света с =3
Замечание. Приведенная
выше формула справедлива для одноатомных газов. Поэтому в нашем случае, когда в
качестве рабочего вещества использована вода, расчет может дать только
правильный порядок величины e/m. Однако и такой результат
является достаточным для утверждения, что явление вращения плоскости
поляризации в магнитном поле обязано своим проявлением взаимодействию
магнитного поля с электронами вещества.
Контрольные вопросы
1. Дать определение
оптически активным и неактивным веществам, плоскости поляризации.
2. Что называется
плоскостью поляризации в кристаллах. Природа этого явления.
3.
Эффект Фарадея. Постоянная Верде.
4. Феноменологическая теория вращения плоскости поляризации (краткая
теория приведена в работе 5 данного пособия).
Литература
1.
Матвеев А.Н. Оптика. -М.: Высшая школа, 1985, § 44.
2.
Ландсберг Г.С. Оптика. -М.:
1976, Гл. ХХХ §§ 163-165, 168,169. Гл.ХХХ1, §§ 170,173.
3. Калитеевский
Н.И. Волновая оптика. -М.: Высшая школа , 1978. Гл. IV, §§ 4,5.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. IУ. Оптика. -М.: Наука,
1980, §95.
5. Бутиков Е.И. Оптика. Учебное пособие. - Санкт-Петербург. Москва.
Краснодар: Лань, 2012., § 2.8, с 122-129.