幾種油的費(fèi)爾德常量的測(cè)量

李苑喆,莊浩麗,張舒婷,林佳佳,韓俊彥,曾育鋒

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1845年，法拉第發(fā)現(xiàn)磁致旋光效應(yīng)，并以水的旋光角為參考值，測(cè)出其他幾種介質(zhì)相對(duì)參考值的倍數(shù)，大致給出了一些透明介質(zhì)的旋光能力[1]. 后來，費(fèi)爾德引入費(fèi)爾德常量來衡量介質(zhì)的旋光能力[2]，不同種類介質(zhì)的費(fèi)爾德常量一般不同. 但許多具有磁致旋光性質(zhì)的介質(zhì)，并沒有對(duì)應(yīng)的費(fèi)爾德常量的文獻(xiàn)記載. 而目前，現(xiàn)有的法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀大多也只能測(cè)算相應(yīng)配套規(guī)格的固體介質(zhì)的費(fèi)爾德常量. 為此，筆者在原來實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，探究生活中常見的各種透明液體物質(zhì)的磁致旋光性，發(fā)現(xiàn)油類物質(zhì)的旋光能力較強(qiáng)且有所差異. 本文主要測(cè)量出生活中常見的油類物質(zhì)(花生油、調(diào)和油、色拉油、玉米油和汽車機(jī)油)的費(fèi)爾德常量.

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)線偏振光在介質(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)，則光的振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度θ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光在介質(zhì)中經(jīng)過的有效長(zhǎng)度L的乘積成正比，即

θ=VBL,

(1)

式中，比例系數(shù)V即為費(fèi)爾德常量，表征物質(zhì)的磁光特性，由介質(zhì)和工作波長(zhǎng)決定.

磁場(chǎng)由通電螺線管產(chǎn)生，對(duì)于長(zhǎng)直載流螺線管，其軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

B=μ0nI,

(2)

其中真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7T·m∕A，n為CC-1型法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的螺線管的線密度，為10 500 m-1. 式(1)可改寫為

θ=Vμ0nLI.

(3)

顯然，只要已知流入螺線管的電流大小I，測(cè)出不同電流I對(duì)應(yīng)的旋光角θ，利用式(3),求出斜率k可算出介質(zhì)的費(fèi)爾德常量.

2 實(shí)驗(yàn)方法與分析

在CC-1型法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)選用自制的螺線管(如圖1所示)和長(zhǎng)度20 cm的玻璃樣品池(如圖2所示)，以方便更換不同透明液體和檢驗(yàn)其是否具有磁致旋光效應(yīng). 但由于自制的螺線管磁場(chǎng)B較難確定，所以將具有磁致旋光性質(zhì)的液體介質(zhì)裝入長(zhǎng)度20 cm的玻璃試管中(如圖3所示)，并放入原實(shí)驗(yàn)儀的螺線管中. 實(shí)驗(yàn)光路圖如圖4所示，利用消光法，測(cè)量在不同電流I下，線偏振光通過油類介質(zhì)后旋光角θ的變化.

圖1 自制螺線管

圖2 玻璃樣品池

圖3 玻璃試管

圖4 實(shí)驗(yàn)基本光路圖

本實(shí)驗(yàn)對(duì)每種油類進(jìn)行多次測(cè)量，選取相關(guān)系數(shù)最接近1的3組數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理與相應(yīng)的誤差分析，且都控制在遠(yuǎn)小于0.05%的精確度內(nèi)，保證了數(shù)據(jù)在零假設(shè)成立的情況下，符合F分布的統(tǒng)計(jì)量[3].

根據(jù)原理部分的相關(guān)計(jì)算公式，進(jìn)行費(fèi)德爾常量的計(jì)算，結(jié)果如表1所示.

表1 各種油的費(fèi)爾德常量

本實(shí)驗(yàn)由于磁場(chǎng)大小的限制，線偏振光在不同磁場(chǎng)大小下，旋光角θ變化較小，讀數(shù)時(shí)存在偶然誤差，測(cè)量精度有待提高，可以嘗試增大供給線圈的電流大小來增加磁場(chǎng)強(qiáng)度B，或者增加線偏振光在介質(zhì)中走過的有效長(zhǎng)度L.

如今市面上，油類質(zhì)量參差不齊，地溝油問題嚴(yán)重，也存在用價(jià)格較低的調(diào)和油或其他油類摻雜花生油，以此冒充價(jià)格較高的純正花生油. 而通過本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)不同油類的費(fèi)爾德常量存在差異. 因此，可利用旋光特性的差異來辨別不同油類及其油類的質(zhì)量.

(a)玉米油

(b)花生油

(c)色拉油

(d)調(diào)和油

(e)機(jī)油圖5 常見油類的θ-I關(guān)系

3 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，花生油、調(diào)和油、玉米油、色拉油以及汽車機(jī)油都具有磁致旋光性質(zhì)，不同油類的費(fèi)爾德常量有一定的差異，但油類物質(zhì)的費(fèi)爾德常量范圍一般為230～260′/T·cm. 費(fèi)爾德常量越大，表明物質(zhì)的旋光能力越強(qiáng)，5種油的磁致旋光能力為：色拉油>玉米油>花生油>機(jī)油>調(diào)和油.

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