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實驗三 氣體分子極化率的測量

實驗三 氣體分子極化率的測量. 組別 : B3 組員 : 化學三 49912005 連士 涵 化學三 49912031 謝承佑. 分工內容. 連士涵 : 實驗原理 、公式推導 謝承佑 : 實驗目的、儀器、步驟、數據 處理. 目的. 了解介電質折射率 了解並操作雷射和光學儀器 學習用麥克森干涉 儀求氣體折射率. 原理一 : 光與介電質的作用. 原理 : 光與介電質的作用. →永久偶極矩 (permanent dipole moment):

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實驗三 氣體分子極化率的測量

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Presentation Transcript

  1. 實驗三 氣體分子極化率的測量 組別:B3 組員: 化學三 49912005 連士涵 化學三 49912031 謝承佑

  2. 分工內容 連士涵 : 實驗原理、公式推導 謝承佑 : 實驗目的、儀器、步驟、數據 處理

  3. 目的 了解介電質折射率 了解並操作雷射和光學儀器 學習用麥克森干涉儀求氣體折射率

  4. 原理一:光與介電質的作用 • 原理 : 光與介電質的作用 • →永久偶極矩(permanent dipole moment): 分子因負電荷中心和正電荷中心未重合 →定向極化(Orientation Polarization):→P(or)具永久偶極矩之分子置於靜電場中時，因受外電場影響，原先任意排列之分子會旋轉某一角度，盡量使偶極矩和電場成直線，即電場極化(polarize) Without field With field

  5. →感應偶極矩(induced dipole moment): 當不帶有永久偶極矩的分子置於電場時，電場會使分子的正負電荷分離， 形成暫時性的偶極矩 P(el)︰電子雲被吸引脫離中心核所在位置 • P(d)︰分子鍵stretching、bending所造成各原子上有效電荷 • 不同此極化現象稱作電子、原子的畸變極化 • (Distortion Polarization)

  6. 總極化度P和介電係數ε(dielectric constant)之關係 P:總極化度 M:分子量 ρ:密度 ε:介電係數 → → 總極化度 P=P(or)+P(el)+P(d) or : orientation(permanent dipole) el : electronic (induced dipole)

  7. 電場與頻率範圍之關係 • →IR範圍︰只剩下畸變極化P(el) +P(d) 因為分子沒有時間在電場轉換前旋轉，所測得的極化度 無定向極化P(or) • →可見光範圍︰測得電子畸變極化度P(el) 因為分子畸變影響消失，只剩下電子雲的畸變影響

  8. 電子畸變極化度P(el) • →α：分子極化率 • N0：亞佛加厥數 • → 而在電子畸變情況下: • ε：介電係數 n：折射率(refractive index)

  9. Clausius-Mossotti • →將 代回Clausius-Mossott式中: • →即Lorentz方程

  10. Lorentz →令 • →泰勒展開(Taylor expansion)定義:

  11. Lorentz • →

  12. Lorentz 假設氣體1折射率為n1密度為ρ1 氣體2折射率為n2密度為ρ2 → →可由折射率求α值

  13. 雷射光特性 →相同的波長 • →相同的前進方向 • →相同的相位

  14. 雷射光特性 →雷射光之光束截面強度: I0：光束中心強度 w：光束半徑→強度1/e2之處 χ：至光束中心的距離 (因為輻射強度是場的平方，所 以輻射強度在徑向半徑 r=w 處是軸上強度的 )

  15. Gaussian beam 當光傳播時，光束半徑及球面的曲率半徑會一直改變 來源：維基百科 →W0：雷射光腰身(waist)半徑 λ：雷射光波長 Z ：光束中心至腰部的距離

  16. 實驗步驟 • 打開雷射光源，溫機10分鐘。 2. 連接水銀壓力計和壓力 錶並校正壓力錶。

  17. 3.儀器架設如下圖。 此時不要放上gas cell和聚焦鏡，先調整好分 光鏡位置使投射到屏幕的兩主要光點互相靠近。 Laser 可動鏡 屏幕 聚焦鏡 分光鏡 Gas cell 固定鏡

  18. 4.調整固定鏡背後兩調整紐，使兩光點完全重合。4.調整固定鏡背後兩調整紐，使兩光點完全重合。 5. 放上18mm聚焦鏡並調整固定鏡旋鈕來得到 清楚的干涉條紋。

  19. 6. 將T型玻璃塞分別接 氮氣源、gas cell 和 手動幫浦後，關掉氮 氣源，再將gas cell抽 氣後關好T形玻璃塞。 7. 打開氮氣源和T形玻 璃塞，充填氮氣至一 大氣壓。 接gas cell 接氮氣源 T形玻璃塞

  20. 8. 放上充好氣的gas cell後可觀察屏幕上干涉 條紋的變化，並在屏幕上定一標準點。

  21. 9. 以手動幫浦慢慢抽氣，干涉條紋會移動， 記下通過標準點的條紋數m。

  22. 數據處理 1. 利用公式求出 n:1atm下折射率 n': 低壓下折射率 λ: 雷射光波長(He-Ne laser λ = 6328 Å ) d: gas cell長度 係數2: 光來回通過氣體兩次

  23. 2. 以 對壓力P作圖。 3. 由Lorentz equation 經Taylor展開轉換後 代回P得到

  24. 求極化率α由 1.設 且 帶入equation得 ……………(1) 2. 設 且 帶入equation得 ……………(2) 3. 將(2)式 -(1)式得 即以折射率差(n2-n1)對氣體密度差(ρ2-ρ1)作圖的斜率為α。

  25. 參考資料 • 水銀壓力錶圖http://tw.image.search.yahoo.com/images/view;_ylt=A8tUwJvE3TZR.gQA8.Zt1gt.;_ylu=X3oDMTBlMTQ4cGxyBHNlYwNzcgRzbGsDaW1n?back=http%3A%2F%2Ftw.image.search.yahoo.com%2Fsearch%2Fimages%3Fp%3D%25E6%25B0%25B4%25E9%258A%2580%25E5%25A3%2593%25E5%258A%259B%25E9%258C%25B6%26n%3D30%26ei%3Dutf-8%26y%3D%25E6%2590%259C%25E5%25B0%258B%26fr%3Dyfp%26tab%3Dorganic%26ri%3D5&w=779&h=623&imgurl=www.hsinjeng.com.tw%2Fuploadpic%2Fclass%2F20120510195616.jpg&rurl=http%3A%2F%2Fwww.hsinjeng.com.tw%2Fproductl_22.html&size=24.1+KB&name=%E5%A3%93%E5%8A%9B%E7%B3%BB%E5%88%97%E6%96%B0%E6%94%BF%E7%94%A2%E5%93%81%E4%BB%8B%E7%B4%B9&p=%E6%B0%B4%E9%8A%80%E5%A3%93%E5%8A%9B%E9%8C%B6&oid=76b25298de0ef27a8a3e8c3543b821a3&fr2=&fr=yfp&tt=%25E5%25A3%2593%25E5%258A%259B%25E7%25B3%25BB%25E5%2588%2597%25E6%2596%25B0%25E6%2594%25BF%25E7%2594%25A2%25E5%2593%2581%25E4%25BB%258B%25E7%25B4%25B9&b=0&ni=56&no=5&ts=&tab=organic&sigr=11bt9seou&sigb=14pfs5ame&sigi=11mafs3eu&.crumb=88sBzye8vN8

  26. Thanks for your listening

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