[科普中國(guó)]-磁致旋光

磁致旋光現(xiàn)象源于塞曼效應(yīng)，面偏振光沿磁力線方向通過(guò)磁場(chǎng)中的介質(zhì)時(shí)，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

簡(jiǎn)介平面偏振光沿磁力線方向通過(guò)磁場(chǎng)中的介質(zhì)時(shí)，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。又稱法拉第效應(yīng)，是M.法拉第在1846年發(fā)現(xiàn)的。

塞曼效應(yīng)磁致旋光現(xiàn)象源于塞曼效應(yīng)。介質(zhì)分子中原來(lái)簡(jiǎn)并的基態(tài)或（和）激發(fā)態(tài)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生分裂，使左圓與右圓偏振光的共振吸收頻率不同，從而使它們的吸收曲線和色散曲線相互錯(cuò)開(kāi)。

這導(dǎo)致兩種效應(yīng)：一是使介質(zhì)對(duì)一定頻率的左圓與右圓偏振光的吸收率不同，產(chǎn)生磁圓二色性；二是使通過(guò)介質(zhì)的平面偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生法拉第效應(yīng)。這兩種效應(yīng)總是同時(shí)存在的，但磁圓二色性只在吸收峰附近才顯示出來(lái)，而法拉第效應(yīng)對(duì)所有物質(zhì)在所有波長(zhǎng)都會(huì)出現(xiàn)。磁致旋光現(xiàn)象實(shí)際上也是由于介質(zhì)對(duì)一定波長(zhǎng)的左圓偏振光和右圓偏振光的折射率nL和nR不同引起的。旋轉(zhuǎn)的角度正比于Δn,Δn=nL－nR。

理論分析在重疊的吸收峰附近或者當(dāng)外加磁場(chǎng)使吸收峰分裂為多個(gè)組分時(shí)，磁致旋光現(xiàn)象的理論分析比較復(fù)雜。兩種簡(jiǎn)單的極限情況是，介質(zhì)分子只有基態(tài)或激發(fā)態(tài)是簡(jiǎn)并的，而且基態(tài)與激發(fā)態(tài)的緊鄰沒(méi)有別的能級(jí)。在基態(tài)非簡(jiǎn)并的情況下磁場(chǎng)只使激發(fā)態(tài)能級(jí)發(fā)生分裂。激發(fā)態(tài)的能級(jí)很高，在通常條件下分子的集居數(shù)極小，溫度變化對(duì)它的影響也很小，旋光作用幾乎與溫度無(wú)關(guān)，旋轉(zhuǎn)在吸收峰兩側(cè)差不多是對(duì)稱的。通常把這種情況不很嚴(yán)格地稱為反磁法拉第效應(yīng)。當(dāng)基態(tài)簡(jiǎn)并時(shí)，磁場(chǎng)使能級(jí)分裂，根據(jù)玻耳茲曼定律，分子在分裂后能級(jí)上的集居數(shù)不同，高能級(jí)的分子少一些。在溫度很高時(shí)這種差別可以忽略不計(jì)，旋光曲線在吸收峰附近是對(duì)稱的。當(dāng)溫度極低時(shí)，高能級(jí)上的分子集居數(shù)趨于零，光吸收的低頻成分消失。這個(gè)成分的折射率在吸收峰附近的變化沒(méi)有典型色散曲線的形狀，幾乎為常數(shù),所以Δn像nL一樣變化,Δn和旋光曲線在吸收峰兩側(cè)不是對(duì)稱的。在過(guò)渡溫度區(qū)間內(nèi)，旋光曲線強(qiáng)烈依賴于溫度。這種情況稱為順磁法拉第效應(yīng)。

磁致旋光效應(yīng)法拉第效應(yīng) 1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。當(dāng)線偏振光（見(jiàn)光的偏振）在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。該效應(yīng)可用來(lái)分析碳?xì)浠衔?，因每種碳?xì)浠衔镉懈髯缘拇胖滦馓匦?；在光譜研究中，可借以得到關(guān)于激發(fā)能級(jí)的有關(guān)知識(shí)；在激光技術(shù)中可用來(lái)隔離反射光，也可作為調(diào)制光波的手段。

磁光效應(yīng)編輯

置于外磁場(chǎng)中的物體，在光與外磁場(chǎng)作用下，其光學(xué)特性（如吸光特性，折射率等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。包括塞曼效應(yīng)、磁光法拉第效應(yīng)、科頓-穆頓效應(yīng)和磁光克爾效應(yīng)等。這些效應(yīng)均起源于物質(zhì)的磁化，反映了光與物質(zhì)磁性間的聯(lián)系。

科頓-穆頓效應(yīng)1907年A.科頓和H.穆頓首先在液體中發(fā)現(xiàn)。光在透明介質(zhì)中傳播時(shí)，若在垂直于光的傳播方向上加一外磁場(chǎng)，則介質(zhì)表現(xiàn)出單軸晶體（見(jiàn)雙折射）的性質(zhì)，光軸沿磁場(chǎng)方向，主折射率之差正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方。此效應(yīng)也稱磁致雙折射。W.佛克脫在氣體中也發(fā)現(xiàn)了同樣效應(yīng)，稱佛克脫效應(yīng)，它比前者要弱得多。當(dāng)介質(zhì)對(duì)兩種互相垂直的振動(dòng)有不同吸收系數(shù)時(shí)，就表現(xiàn)出二向色性的性質(zhì)，稱為磁二向色性效應(yīng)。

克爾磁光效應(yīng)入射的線偏振光在已磁化的物質(zhì)表面反射時(shí)，振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，1876年由J.克爾發(fā)現(xiàn)?？藸柎殴庑?yīng)分極向、縱向和橫向三種，分別對(duì)應(yīng)物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與反射表面垂直、與表面和入射面平行、與表面平行而與入射面垂直三種情形。極向和縱向克爾磁光效應(yīng)的磁致旋光都正比于磁化強(qiáng)度，一般極向的效應(yīng)最強(qiáng)，縱向次之，橫向則無(wú)明顯的磁致旋光?？藸柎殴庑?yīng)的最重要應(yīng)用是觀察鐵磁體的磁疇（見(jiàn)磁介質(zhì)、鐵磁性）。不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，引起反射光振動(dòng)面的不同旋轉(zhuǎn)，通過(guò)偏振片觀察反射光時(shí)，將觀察到與各磁疇對(duì)應(yīng)的明暗不同的區(qū)域。用此方法還可對(duì)磁疇變化作動(dòng)態(tài)觀察。

磁致旋光效應(yīng)原理編輯

磁致旋光現(xiàn)象源于塞曼效應(yīng)。介質(zhì)分子中原來(lái)簡(jiǎn)并的基態(tài)或（和）激發(fā)態(tài)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生分裂，使左圓與右圓偏振光的共振吸收頻率不同，從而使它們的吸收曲線和色散曲線相互錯(cuò)開(kāi)。這導(dǎo)致兩種效應(yīng)：一是使介質(zhì)對(duì)一定頻率的左圓與右圓偏振光的吸收率不同，產(chǎn)生磁圓二色性；二是使通過(guò)介質(zhì)的平面偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生法拉第效應(yīng)。這兩種效應(yīng)總是同時(shí)存在的，但磁圓二色性只在吸收峰附近才顯示出來(lái)，而法拉第效應(yīng)對(duì)所有物質(zhì)在所有波長(zhǎng)都會(huì)出現(xiàn)。磁致旋光現(xiàn)象實(shí)際上也是由于介質(zhì)對(duì)一定波長(zhǎng)的左圓偏振光和右圓偏振光的折射率nL和nR不同引起的。旋轉(zhuǎn)的角度正比于Δn,Δn=nL－nR。

在重疊的吸收峰附近或者當(dāng)外加磁場(chǎng)使吸收峰分裂為多個(gè)組分時(shí)，磁致旋光現(xiàn)象的理論分析比較復(fù)雜。兩種簡(jiǎn)單的極限情況是，介質(zhì)分子只有基態(tài)或激發(fā)態(tài)是簡(jiǎn)并的，而且基態(tài)與激發(fā)態(tài)的緊鄰沒(méi)有別的能級(jí)。在基態(tài)非簡(jiǎn)并的情況下磁場(chǎng)只使激發(fā)態(tài)能級(jí)發(fā)生分裂。激發(fā)態(tài)的能級(jí)很高，在通常條件下分子的集居數(shù)極小，溫度變化對(duì)它的影響也很小，旋光作用幾乎與溫度無(wú)關(guān)，旋轉(zhuǎn)在吸收峰兩側(cè)差不多是對(duì)稱的。通常把這種情況不很嚴(yán)格地稱為反磁法拉第效應(yīng)。當(dāng)基態(tài)簡(jiǎn)并時(shí)，磁場(chǎng)使能級(jí)分裂，根據(jù)玻耳茲曼定律，分子在分裂后能級(jí)上的集居數(shù)不同，高能級(jí)的分子少一些。在溫度很高時(shí)這種差別可以忽略不計(jì)，旋光曲線在吸收峰附近是對(duì)稱的。當(dāng)溫度極低時(shí)，高能級(jí)上的分子集居數(shù)趨于零，光吸收的低頻成分消失。這個(gè)成分的折射率在吸收峰附近的變化沒(méi)有典型色散曲線的形狀，幾乎為常數(shù),所以Δn像nL一樣變化,Δn和旋光曲線在吸收峰兩側(cè)不是對(duì)稱的。在過(guò)渡溫度區(qū)間內(nèi)，旋光曲線強(qiáng)烈依賴于溫度。這種情況稱為順磁法拉第效應(yīng)1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)