近代物理实验 实验报告

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：

班级： 材物二班 姓名： 焦方宇 同组者： 杜圣 教师：周丽霞

光泵磁共振

【实验目的】

1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解

2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。

3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场 【实验原理】

1．Rb 原子基态及最低激发态的能级

在第一激发能级5P 与基态5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。2/12P 5到2/12S 5的跃迁产生的谱线为D1 线，波长是794nm ；2/12P 5 到2/12S 5的跃迁产生的谱线为D2 线，波长是780nm 。

在核自旋 I = 0 时，原子的价电子L-S 耦合后总角动量PJ 与原子总磁矩μJ 的关系 μJ=-gJe2 （1）

1)2J(J )

1S (S )1L (L )1J (J 1g J ++++-++

= （2）

I ≠0时，对Rb 87， I = 3/2；对Rb 85， I = 5/2。总角动量F= I+J,…,| I-J |。Rb 87基态F 有两个值：F = 2 及F = 1；Rb 85基态有F = 3 及F = 2。由F 量子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为：

μF=-gFe2m PF （3）

1)2F(F )

1I (I )1J (J )1F (F g g J

F ++-+++= （4）

在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数F m ＝F, F-1, … ,-F ，裂成

2F ＋1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级。

在弱磁场条件下，通过解Rb 原子定态薛定锷方程可得能量本征值为

B m g )]1I (I )1J (J )1F (F [2

h

E E B

F F 0μα++-+-++

= （5）

由（5）式可得基态2/12S 5的两个超精细能级之间的能量差为

)]1()1([2

'

'+-+=

?F F F F ah E F （6） 相邻塞曼子能级之间（ΔF m ＝±1）的能量差为m F B 0E g B F μ?=（7）

2. 圆偏振光对Rb 原子的激发与光抽运效应

电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光可引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光（角动量为）时，量子力学给出的跃迁定则为 ,1L ±=?,1,0F ±=?1m F +=?（角动量守恒）。

Rb 87

的2/12S 5态及2/12P 5态的磁量子数F m 最大值都是+2，

当入射光是光的+

σ1D 时，由于只能产生ΔF m =+1 的跃迁，基态F m ＝+2 子能级的粒子不能跃迁， 当原子经历无辐射跃迁过程从2/12P 5回到2/12S 5时，粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态F m ＝+2 的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态F m ＝+2 的子能级上，这就是光抽运效应。 3. 弛豫过程

在热平衡状态下， 基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布)kT

E

(exp N N 0-

=（8） 由于各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数相等。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。本实验涉及的几个主要弛豫过程有以下几种：

1、铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。

2、铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。

3、铷原子与缓冲气体的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小，对原子的偏极化基本没影响。 4. 塞曼子能级间的磁共振

垂直于B 0的方向所加一圆频率为1ω的射频场))sin()cos((1111t e t e B B y x ωω

+=，当

满足共振条件

012B g E h

F F mF μωπ

=?=（9）时，塞曼子能级之间将发生磁共振。抽运到基态2m F +=子能级上的大量粒子，由于射频场1B

的作用产生感应跃迁，即由2m F +=跃

迁到1m F +=。同时由于光抽运的存在，处于2m F +≠子能级上的粒子又将被抽运到

2m F +=子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的平衡。在发生磁共振时，由于2m F +≠子能级上的粒子数比未共振时多，因此对+σ1D 光的吸收增大。

5. 光探测

射到样品泡上1D 线的光σ+一方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光又可以兼作探测光。测量透过样品的+

σ1D 光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光探测，巧妙地将一个低频射频光子（1―10MHz ）转换为一个光频光子（810 MHz ）,使信号功率提高了7－8 个数量级。 【实验仪器】

本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图1.

图2 主体单元示意图

主体如图2所示。光源采用高频无极放电Rb 灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于D 2线的存在不利于D 2线的光抽运，故用透过率大于60%，带宽小于15nm 的干涉滤光片就能很好地滤去D 2线。用高碘硫酸奎宁偏振片和40微米左右的云母1/4波片可产生左旋偏振光б+，透镜L1可将光源发出的光变为平行光，透镜L2将透过样品泡的平行光汇聚到光电接收器上。 【实验内容】

1．观测光抽运信号：

1）将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，射频信号发生器“幅度调节”调至最小，接通主电源开关和池温开关，约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮。

2) 调节“水平场”旋钮，调节水平磁场线圈电流的大小在0.20A 以下，将指南针置于吸收池上边，判断水平磁场和地磁场的方向关系，改变水平场的方向，使水平场方向与地磁场水平方向相反，然后将指南针拿开，并且将水平磁场线圈电流调至最小。

3）扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方

主电源

射频信号发生器

辅助源

主体单元

示波器

图1 光磁共振实验装置方框图

向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。

4）预置垂直场电流为0.07A ，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。

2．观测光磁共振信号

1）扫场方式选择“三角波”，幅度保持1状态，设置水平磁场方向、扫场方向和地磁场水平分量相同，调节射频信号发生器“幅度调节”旋钮，使射频信号峰峰值在 4.5V 。在水平场电流分别为0.24A ，0.20A 和0.18A 时，，读出对应的频率ν1。

2）按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。仍用上述方法，可得到ν2，则利用公式（7-3-10）可求出g F 因子。

3．测量地磁

1）同测g F 因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得ν1； 2）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到ν3。这样由（7-3-14）式可得地磁场水平分量//e B ，并根据e B =（2//e B +2e B ⊥）1/2

可得到地磁场的大小。

3）垂直磁场由下式计算73/2

32105NI

B r

π-⊥=

? （T ） （7-3-15） 式中N 和r 是两个垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的I 值是流过单个线圈的电流。

表7-3-1 厂家给出的线圈参数

水平场 扫场 垂直场 线圈每边匝数N 250 250 100 线圈有效半径r 0.2388m

0.2420m

0.1530m

【数据处理】

一、 测量g F 因子

表1 测量g F 数据表

水平场电流(A) 同向频率ν1(KHZ) 反向频率ν2(KHZ)

B D

C (T)

g F =h(ν1+ν2)/2μB B DC

g F 平均值

87

Rb

85

Rb

87

Rb

85

Rb 87

Rb

85

Rb 87

Rb

85

Rb 87

Rb

85

Rb

0.24 1089.2 722.24 509.94 345.05 1129.62

0.5060 0.3377 0.5075

0.3384

0.20 950.75 633.93 391.49 257.05 941.34

0.5096 0.3383 0.18

844.68

592.47 356.52

211.23 847.21

0.5068

0.3391

用式（7-3-11）7

2

/310516-?=

r NI B DC π可算出B DC ，用式（7-3-10）DC

B F B h g μνν2)(21+= 可算出g F ，其中N 和r 可从表7-3-1中读出。 利用式（7-3-12）可得：

g f (87

Rb)/g f (85

Rb)=0.5044/0.3371=1.4997

因此实验数据和结果与理论基本相符。

二、测量地磁场

表2 测量地磁场数据表

水平场电流/A

反向频率ν3/kHz

B e//=h(ν1-ν3）/2g f μB /10-7

T

B e//平均值/10-7

T

87

Rb

85

Rb 87

Rb 85

Rb 205.77

0.24 786.78 521.71 213.00 211.82 0.20 652.80 432.50 209.86 212.77 0.18

595.34

392.22

175.62

211.55

利用式（7-3-15）可得垂直方向上的地磁场的平均强度为：

)(1087.5105324723

T r

NI B --⊥?=?=

π

地磁场的强度大小为：

5.8736

六、思考题

1、光抽运的物理过程如何？造成什么后果？ 光抽运的物理过程为：

气态原子受1D σ+左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则,0=?F ±1，1+=?F M ，进行跃迁

在由1/22S 5能级到1/22P 5能级的激发跃迁中，由于1D σ+

光子的角动量为π2

/h +,只能产生1+=?F M 的跃迁。基态2+=F M 子能级上原子若吸收光子就将跃迁到3+=F M 的状态，

但1/22

P 5各自能级最高为2+=F M 。

因此基态中2+=F M 子能级上的粒子就不能跃迁。

由于1D σ+的激发而跃迁到激发态1/22P 5的粒子可以通过自发辐射退激回到基态，当原子经历无辐射跃迁过程从1/22P 5回到1/22S 5 时，则原子返回基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态2F M =+子能级上的原子数就会大大增加，即大量原子被“抽运”到基态的2F M =+的子能级上。

结果：造成了偏极化，使光泵磁共振信号加强。

2.方波扫场、水平场在光抽运过程中起什么作用？对方波扫场和水平场的方向、振幅有何要求？

答:方波扫场、水平场在光抽运过程中抵消了地磁场在水平方向上的分量。方波扫场提供一个周期性的磁场，使光抽运周期性发生。 在观察光抽运信号时，设置水平场为零，并使扫场方向与地磁场水平分量方向相反，并调节扫场幅度，使光抽运信号与总磁场的信号等高。

【实验总结】

在做本实验时，由于不熟悉实验操作，重新做了好多次才做出，首先要注意的是，在测光抽运信号时，要测好水平场和扫场的方向，否则后面实验无法进行。其次，在做完光抽运信号的观察后，要通过调节扫场消除掉光抽运信号，否则会影响后面的光磁共振信号的观测。在调节射频信号发射器频率时，从小到大，会出现两次峰值，频率大的为铷87，频率小的为铷85。实验误差主要来源与外界光的干扰和肉眼观测信号是的误差。在测量地磁场反向频率时由于Rb 87

与Rb 85

得出的数据比较接近，，需要仔细反复的多测几次才得出了比较好的数据记录。总之，通过这次实验加深了对光抽运和光磁共振的了解，掌握了很多知识。

【原始数据附录】