Upload
tadeo
View
128
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
實驗三 光與介電值的作用
組別 B3
組員 49812019 李桓誠
實驗儀器、步驟、操作方式實驗作圖及數據處理
49812034 伍宇芳
實驗目的原理及公式推導
實驗目的
1. 瞭解介電質折射率一般性質( 光和介電質的作用 )
2. 瞭解雷射性質及光學儀器之原理及操作
3. 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
水分子不具電場下之排列 水分子具電場下之排列
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)
畸形極化 (Distortion polarization)
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)
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)
雷射
特性1. 相同的波長2. 相同的前進方向3. 相同的相位
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 )
ww
x
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
M
F
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 。
公式推導
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
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
Lorentz 方程式推導
在介質中 :地方電場
Lorentz 方程式推導
帶入 和
實驗儀器
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
儀器實際圖
Gas Cell
凸透鏡
分光鏡
移動鏡
固定鏡
實驗步驟
操作過程
1. 雷射光源開機,暖機10分鐘
2. 連接水銀壓力計和壓力錶,做壓力錶校正並做校正曲線
3. 調整雷射光使通過可動性鏡面中心
4. 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 )
5. 調整分光器使兩光點重合,出現干涉條紋
操作過程
7. T型玻璃塞接上氮氣源氣體容器手動幫浦
8. 氣體容器抽氣完填充氮氣至 1atm(注意壓力表上指針 )
9. 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
操作過程
10. 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 ) 。
數據處理
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-Ne laser λ=6328Å) d : 氣體容器長度 n :1atm 下折射率 n’ :低壓下折射率
)'(2 nndm
求 (n-n’) ─ 作圖
(n-n’)對壓力 P 作圖m (n-n’) p
1
2
3
4
5
6
7
λ(Å)=6328
d(Å)=3.00E+10
0 1 2 3 4 5 6 7 80
2
4
6
8
10
12
f(x) = NaN x + NaNR² = 0 (n-n’)對 p
(n-n’)
P(pa)
求 ─ 計算
求由 Lorentz 方程式
※ 求 1atm 下折射率n 值
求 ─ 計算
求由泰勒展開式 … 1 大氣壓折射率: 帶入
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
求 ─ 作圖
以▵ n 對▵ ρ 作圖斜率為
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
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