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實驗三 光 與介電值的作用

實驗三 光 與介電值的作用. 實驗目的. 瞭解介電質折射率一般性質 ( 光和介電質的作用 ) 瞭解雷射 性質及光學儀器之原理及操作 利用 麥克 森干涉儀 (Michelson Interferometer ) 求 氣體折射率. 實驗原理. 定向極化 ( Orientation Polarization). 帶永久偶極矩 ( permanent dipole moment) 的分子置於電場中 為使偶極矩和電場呈直線 由隨意排列→旋轉至特定角度 永久偶極矩 (permanent dipole moment ) 分子 因正電荷中心與副電荷中心為重合而產生.

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實驗三 光 與介電值的作用

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Presentation Transcript

  1. 實驗三 光與介電值的作用

  2. 實驗目的 瞭解介電質折射率一般性質(光和介電質的作用) 瞭解雷射性質及光學儀器之原理及操作 利用麥克森干涉儀(MichelsonInterferometer)求氣體折射率

  3. 實驗原理

  4. 定向極化(Orientation Polarization) 帶永久偶極矩(permanent dipole moment)的分子置於電場中為使偶極矩和電場呈直線 由隨意排列→旋轉至特定角度 永久偶極矩(permanent dipole moment) 分子因正電荷中心與副電荷中心為重合而產生 水分子不具電場下之排列 水分子具電場下之排列

  5. 畸形極化(Distortionpolarization) • 由感應偶極矩(induced dipole moment)產生的極化作用 • 感應偶極矩(induced dipole moment) 不帶永久偶極矩的分子於電場中，電場使正負電分離成一暫時偶極矩即是。 感應偶極矩之極化程度(P)可分為 ─ 電子畸變極化度 ：電子雲被吸引脫離所在位置 分子畸變極化度 ：分子鍵stretching、bending造成各原子上有效電荷不同(ex: O – C – O)

  6. Clausius–mossotti 關係式 總極化度()和介電系數(dielectric constant)之關係 M：分子量 ρ：密度 ✽即為課本中之P、 即為 ε， 為公式推導中部混淆雇用和代替 又 or : orientation(permanent dipole) el : electronic (induced dipole)

  7. Lorentz方程式(使用前提) 震盪電場升高至IR頻率範圍 →分子來不及在電場轉換前旋轉 →所測極化度為無定向極化，只剩下畸變極化 () 震盪電場升高至可見光頻率 →分子畸變引響消失，只剩電子雲的畸變影響 →單獨測得電子畸變極化度 () (electronic distortion polarization)

  8. 雷射 特性 相同的波長 相同的前進方向 相同的相位

  9. 雷射 高斯光束 大部分雷射光源產生的光 ：光束截面強度 ：光束中心強度 x：至光束中心之距離 w：光束半徑(強度 處，人眼感覺之光線邊緣) x w w

  10. 雷射 高斯光束 光束中相位相同之點可連成球面狀 光傳播時，w和球面之曲率半徑 一直改變，有關係式： ：腰身(waist) λ：入射波長 Z：光束中心至腰身距離

  11. 麥克森干涉儀原理 有干涉條紋時有光程差 λ：入射光波長 由移動改便M值 經不同空氣試料後折射率改變，干涉條紋亦改變。 通過m個干涉條紋時，光程差為mλ。 M F

  12. 公式推導

  13. Lorentz方程式推導 Lorentz方程式 在僅電子畸變極化度下 n：折射率 ：亞佛加厥常數 ：分子極化率 由Clausius–mossotti關係式

  14. Lorentz方程式推導 推導 ∵：平均偶極矩 ：莫爾體積 ：電位移 ：電容率 ：極化度 ：真空電容率

  15. Lorentz方程式推導 在介質中 ：地方電場

  16. Lorentz方程式推導 帶入 和

  17. 實驗儀器

  18. 儀器簡圖與壓力計 雷射光源 - 發射雷射光 凸透鏡 - 聚焦 分光鏡 - 使光一半通過，一半反射 固定鏡 - 設其與分光鏡間之距離為Ｆ 調整扭 - 調整固定鏡面 移動鏡 - 設其與分光鏡間之距離為Ｍ Gas Cell - 改變折射率，F改變，干涉條紋亦變 螢幕 - 投影干涉條紋 壓力計

  19. 儀器實際圖 凸透鏡 固定鏡 分光鏡 Gas Cell 移動鏡

  20. 實驗步驟

  21. 操作過程 雷射光源開機，暖機１０分鐘 連接水銀壓力計和壓力錶，做壓力錶校正並做校正曲線 調整雷射光使通過可動性鏡面中心 使反射光反射回分光鏡調整至屏幕(此時屏幕有一主要光點，兩次要光點) 調整分光器使兩光點重合，出現干涉條紋

  22. 操作過程 T型玻璃塞接上氮氣源氣體容器手動幫浦 氣體容器抽氣完填充氮氣至1atm(注意壓力表上指針) Gas Call 放入，調整固定鏡使干涉條紋清楚，螢幕上訂標準點 氣體容器

  23. 操作過程 幫浦慢速抽氣，計算干涉條紋經過標準點的條紋數(m)，並記錄此時壓力(和外界壓力差)。

  24. 數據處理

  25. 求(n-n’) ─ 計算 求(n-n’) M :經過標準點的條紋數 λ :雷射光波長 (He-Nelaser λ=6328Å) d:氣體容器長度 n :1atm下折射率 n’ :低壓下折射率

  26. 求(n-n’) ─ 作圖 (n-n’)對壓力P作圖

  27. 求 ─ 計算 求 由Lorentz方程式 ※求1atm下折射率n值

  28. 求 ─ 計算 求 由泰勒展開式 … 1大氣壓折射率：帶入

  29. 求 ─ 計算 求 以第一次氣體折射率為，密度為代入得方程式(1) --- (1) 以第二次氣體折射率為，密度為代入得方程式(2) --- (2) 方程式(2)-方程式(1)得 折射率對密度作圖

  30. 求 ─ 作圖 以▵n對▵ρ作圖 斜率為

  31. 數據分析與討論 分子內電子結構V.S.折射率 由Lorentz方程式 成正比 越強越大

  32. 參考資料 States of matter: Interactions between molecular unitshttp://www.chem1.com/acad/webtext/states/interact.html 3.2.4 Orientation Polarizationhttp://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_3/backbone/r3_2_4.html The Forces Between Moleculeshttp://itl.chem.ufl.edu/2045/lectures/lec_g.html KDI Co. Ltd.http://www.kdijpn.co.jp/English/FTIReprinciple_01.htm 給小朋友的光學介紹http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=kidoptics/index 麥克遜干涉http://www2.nsysu.edu.tw/optics/michelson/michelson/michson.htm

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