近代物理实验_光磁共振实验深圳大学

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1、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

2、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, F1,，一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uF,u F与外磁场B0相互作用的能量为E=FBO = gF mF 口F BO (9.4.1) 这正是超精细塞曼子能级的能量.式中玻尔磁子uB = 9.2741X10 24J T1 , 朗德因子gF= gF F(F+1)+J(J+1)I (1 + 1) ? 2F (F+l)(9.4.2)r- t45J S-lF=4帶组姑海岡i

3、fr御()浮 b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 E = gF 口B B0 ,(9.4.4)式中AE与B0成正比关系，在弱磁场B0 = 0,贝憧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AE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

4、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。+光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为？； 右旋圆偏振的。一光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为一？；线偏 振的n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?25 2S1?2的跃迁产生DI 线，波长为0.7948 口m ；由5 2P3?2-5 2

5、S1?2的跃迁产生D2线，波长为o.7800 口m .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 F = 0，1， AmF=1 。(9.4.5)AL=1 ，IS厘亠=光羽运过理“沙尺b苓空毗收光的艇迂.W H和孑秋迁底丰为車I Lh：RL賀自吉枪于黄浦Sf - . 1的翼*.回劲基畠咎于相蜒.所以，当入射光为D1o+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。+光角动量为?只能引

6、起AmF= +1的跃迁， 故D1o+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D1o 光照射，贝V大量粒子将被“抽运”到mF=2子能级上.但 是，n光照射是不可能发生光抽运效应的.对于铷85Rb，若用

7、Dlo+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“

8、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v满足共振条件h v = AE = gF 口B BO .(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D1o +光，对于87Rb来说.是由mF=+2跃迁到mF= +1子能级.接着也

9、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D1o+光 的吸收。作用在样品上的D1o+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

10、很 困难的.光检测充分利用磁共振时伴随着D1o+光强的变化，可巧妙地将一个频率 较低的射频量子（110MHz）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 78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）麼乩光泵誉赫航实於赛窘整團图乩乩耳易验肢置王体笛元示密圈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%

11、，带宽小于0.015 口 m.能很 好地虑去D2光（D2光不利于D1o+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58cm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D1o+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02X10-4T连续可调.扫 场BS值约为0. 011X10 4T，也可连续

12、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）X10 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仔），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

13、.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.4、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，

14、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。光抽运信号图.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

15、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 出频率片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），可得到匕。这样，水平磁场所对应的频率为# 叫 + 吃）/2，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：(1)J1V可计算出 因子。式中: 玻尔磁子;普朗克常数;IT水平直流磁场;5、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250250100有效半径0.2676m0.2420m0.1530m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）516KHz776KHz369KHz550KHz反向（弹起）328KHz491KHz478.6KHz717K