近代物理实验_光磁共振实验深圳大学

深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：光磁共振实验报告学院：物理科学与技术学院组号09 指导教师：陈静秋报告人：学号：班级：01实验地点科技楼B105 实验时间：实验报告提交时间：一、实验目的1、熟悉光磁共振原理及仪器使用；2、观察光抽运现象；3、测量朗德因子值；4、培养实验报告规范与处理能力；5、作图作表与数据处理能力；6、基本实验的测试能力。

二、实验原理1、铷原子基态和最低激发态能级．本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；85Rb （占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号．铷原子基态和最低激发态的能级结构如图9．4．1所示．在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂．标定这些分裂能级的磁量子数mF=F，F－1，…，－F，因而一个超精细能级分裂为2F＋1个塞曼子能级．设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为E＝－μF·B0＝gF mF μF B0（9.4.1）这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T－1 ，朗德因子gF= gF [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ⁄ 2F（F＋1）（9.4.2）其中gJ= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ⁄ 2J（J＋1）（9.4.3）上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（9.4.1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差ΔE＝gF μB B0 ，（9.4.4）式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．2．光抽运效应．在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(9．0.12)表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用．设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同，则左旋圆偏振的σ﹢光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为ħ；右旋圆偏振的σ－光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为－ħ；线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加，其角动量为零．现在以铷灯作光源．由图9.4.1可见，铷原子由5 2P1⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D1线，波长为0．7948μm；由5 2P3⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D2线，波长为o．7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ，Δ F＝0，±1，ΔmF＝±1 。

（9.4.5）所以，当入射光为D1σ﹢光，作用87Rb时，由于87Rb的5 2S1⁄2态和5 2P1⁄2态的磁量子数mF 的最大值均为±2，而σ﹢光角动量为ħ只能引起ΔmF＝＋1的跃迁，故D1σ﹢光只能把基态中除mF＝＋2以外各子能级上的原子激发到5 2P1⁄2的相应子能级上，如图9．4．2(a)所示．图9．4．2(b)表示跃迁到5 2P1⁄2上的原子经过大约10－8s后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态5 2S1⁄2各个子能级上．这样，经过多次循环之后，基态mF＝＋2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态mF＝＋2子能级上．这就是光抽运效应．同理，如果用D1σ－光照射，则大量粒子将被“抽运”到mF＝－2子能级上．但是，π光照射是不可能发生光抽运效应的．对于铷85Rb，若用D1σ＋光照射，粒子将会“抽运”到mF＝＋3子能级上．3．弛豫过程．光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度．但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上．由实验得知．样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为10－2s数量级．在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级．1．磁共振与光检测．式（9.4.4）给出了铷原子在弱磁场B0作用下相邻塞曼子能级的能量差．要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场B0的方向上施加一射频场B1作用于样品．当射频场的频率ν满足共振条件h ν ＝ΔE ＝gF μB B0． (9．4．6)时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象．若作用在样品上的是D1σ＋光，对于87Rb 来说．是由mF＝＋2跃迁到mF＝＋1子能级．接着也相继有mF＝＋1的原子跃迁到mF＝0，……．与此同时，光抽运又把基态中非mF＝＋2的原子抽运引mF＝＋2子能级上．因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡．发生磁共振时，处于基态mF＝＋2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数．也就是说，发生磁共振时．能级分布布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对D1σ＋光的吸收。

作用在样品上的D1σ＋光，一方面起抽运作用．另一方面可用透过样品的光作为检测光，即一束光起了抽运和检测两重作用．对磁共振信号进行光检测可大大提高检测的灵敏度．本来塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，特别是密度很低的气体样品的信号就更加微弱，直接观察射频共振信号是很困难的．光检测充分利用磁共振时伴随着D1σ＋光强的变化，可巧妙地将一个频率较低的射频量子(1～10MHz)转换成一个频率很高的光频量子（约108MHz）的变化，使观察信号的功率提高了7～8个数量级．这样，气体样品的微弱磁共振信号的观测，便可用很简便的光检测方法来实现三、实验仪器实验装置的方框图如图9．4．4所示，由光泵磁振实验装置的主体单元及其辅助设备（包括辅助源，射频信号发生器，频率计和示波器等）1．主体单元．光路系统中的光源为高频无极放电铷灯，具有噪音小、光强大和稳定性好等特点．滤波片采用干涉滤光片，透过率大于50﹪，带宽小于0．015μm．能很好地虑去D2光（D2 光不利于D1σ＋的光抽运）．透镜L1将光源发射的光变为平行光束，其焦距约为5～8cm．偏扳振片使平行光束转为平面偏振光．再经1 ⁄4波片得到圆偏振光，从而可获得D1σ＋作用于样品．接着，透镜L2把透过样品泡的光束会聚到光电器件上，变为电信号放大后再送到示波器显示．主体单元设置了几组线圈，为实验提供所需要的各种磁场作用于样品．产生水平恒定磁场和扫场的两组亥姆霍兹线圈，绕在同一组线圈架上，其轴线应与地磁场水平分量的方向一致(即三角导轨应取南北向)．恒定磁场B0值由0～2×10－4T连续可调．扫场BS值约为0．01～1×10－4T，也可连续调节．产生垂直恒定磁场的一组亥姆霍兹线圈，用以抵销地磁场垂直分量．还有一组安放在恒温室内样品泡两侧的射频线圈，它们的轴向与B0垂直．关于各组亥姆霍兹线圈在样品泡位置所产生的磁场，可分别由表头指示（或另接数字电压表显示）的电压值及亥姆霍兹线圈参数求得B＝（4．496NV）×10－7 ⁄ rR（T）（9.4.7）式中N为线圈每边匝数，R为线圈每边绕线的电阻(Ω)，r为线圈的有效半径（m），V为加到线圈上的直流电压(V)．各组线圈的这些数值可在议器说明书上查得．2．辅助设备．辅助源为主体单元提供产生水平磁场和垂直磁场的直流稳压电源，产生扫场的方波和三角波信号源，以及提供控制和监测系统．另外，还设有“外接扫描”插座，可用示波器的锯齿波扫描输出．经电阻分压及电流放大后作为扫场信号源，以代替辅助源中方波和三角波信号源．示波器作为显示和测量实验中各种信号之用．可由双线示波器的其中一个通道（例如Y1）观测方波和三角波等扫场信号，另一个通道(例如Y2)观测光抽运和磁共振信号．实验中两个通道的信号对照观测，可能更好地理解原理，更好地进行调节和检测工作．四、实验内容及具体步骤：一、 准备：在装置加电之前，先应进行主体单元光路的机械调整(见本说明书安装和调整部分)。

再借助指南针将光具座与地磁场水平分量平行搁置。

检查各联线是否正确。

将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关。

然后接通电源线，按下电源 开关。

约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。

二、 观测光抽运信号扫场方式选择“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。

预置垂直场电流为0.07A 左右，用来抵消地磁场垂直分量。

然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号(如图7.所示)幅度最大。

再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。

图. 光抽运信号三、 观测光磁共振谱线3．1 测量g 因子扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.2A 左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针来判断)。

垂直场的大小和偏振镜的角度保持上面的状态。

调节射频信号发生器频率，可观察到共振信号，对应图8.a 波形，可读出频率1ν及对应的水平场电流I 。

再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(如图8.b 所示)，可得到2ν。

这样,水平磁场所对应的频率为2)(21ννν+=，即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。

水平磁场的数值可从水平场、 电流及水平亥姆霍兹线圈的参数来确定(亥姆霍兹线圈轴线中心处磁场的公式见附录)。

由公式：H g h F 0μν= …………………(1) Hh g F 0μν= …………………(2) 可计算出g 因子。

式中：0μ— 玻尔磁子； h — 普朗克常数； H — 水平直流磁场；ν— 共振频率。

五、数据处理亥姆霍兹线圈参数：水平场线圈 扫场线圈 垂直场线圈 线圈匝数250 250 100 有效半径0.2676m 0.2420m 0.1530m水平电场为0.2A 水平场线圈r=0.2676m 水平场线圈N=250频率KHz 幅度波峰 波谷 正向（按下）516KHz 776KHz 369KHz 550KHz 反向（弹起） 328KHz491KHz478.6KHz 717KHz 表中最大共振幅度的频率分别是516KHz ，328KHz ，369KHz ，478.6KHz 为85Rb 的共振信号。