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1、近代物理实验题目 光泵磁共振（设计性）班级09物理学号09072053姓名张泽民指导教师邱桂明汕头大学实验报告实验名称光泵磁共振（设计性）班 级 09物理 姓名 张泽民 学号 09072053同组人 无实验日期12/4/13 室温气温光泵磁共振（设计性）【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】一. 铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占 72. 15%。它
2、们的基态都是52S1/2。图B4-1 Rb原子精细结构的形成在LS耦合下，形成双重态：52Pi/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此, 从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D和D2线，如图B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm和 780.0nm。通过LS耦合形成了电子的总角动量Pj，与此相联系的核外电子的总磁矩门j为(B4-1)式中(B4-2),J (J +1) - L(L +1) + S (S +1) g = 1 +J2 J (J +1)是著名的朗德因子，m是电子质量，e是电子电量。e原子核也有自旋和磁矩核自旋量子数用表示。核角动量PI和核外电子的角动量Pj耦
3、合成一 个更大的角动量，用符号PF表示，其量子数用F表示，则(B4-3)与此角动量相关的原子总磁矩为=-g丄P2m Fe(B4-4)2 F (F +1)(B4-5)gF是对应于正F与PF关系的朗德因子。在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原式中F (F +1) + J (J +1) I (I +1) g = gF(B4-6)子产生附加的能量P - B = g M hB = g M 卩 B f 2m ff 2m ff f beeeh其中卩=9.2741 x 10-24 JT-1称为玻尔磁子，M是P在外场方向上分量的量子数，共有 b 2mf Fe2F+1个值。可以看到原子在磁场中的附
4、加能应随M变化原来对叫简并的能级发生分裂,称为超精细结构，一个F能级分裂成2F+1个子能级，相邻的子能级的能量差为(B4-7)再来看的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例,下具体的分裂情况。87Rb的核自旋I = 3/2 , 85Rb的核自旋I = 5/2 ,因此，两种原子介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂。D-252Sla精细结构L-E耦合F=1 u-超箱细皓构在弱磁坯下耦合塞曼分裂Mr+2+10-1-2-10+ 1+2+10-1-2-1图B4-28农b原子能级超精细分裂错误！未指定书签。错误！未指定书签。原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2所示。由于实验中D2线被滤掉，所
5、涉及的52P3/2态的 耦合分裂也就不用考虑。二. 光磁共振跃迁实验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让Df+光(左旋圆偏振光)通过并照射到产生超精细 分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对DG+光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是(1)从常温对应的能量kBT来衡量，超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根据玻尔 B兹曼分布N 古 二 ekBT(B4-8)Ntotal由52S1/2分裂出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由52Pi/2分裂出的8条子能级上的 原子数也接近均匀分布。(2)如果考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的Df+光实际包含了连续频率的光，这 些光使得D线有一
6、定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。处于磁场环境中的铷原子对Df+光的吸收遵守如下的选择定则AL = 1AF = di, 0AM = +1F根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图B4-3所示。图B4-3 87Rb原子对DG+光的吸收和退激跃迁 可以看到，跃迁选择定则是AF 二 1,0 ；AMf 日0跃迁见图B4-3的右半部分。当光连续照着，跃迁5ST5PT5ST5PT.这样的过程就会持续下去。这样，5S态中Mf = +2子能级上的原子数就会越积越多，而其余7个子能级上的原子数越来越少, F相应地，对D&+光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了 5S态的M=
7、+2的子能级上, 其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，这时光强测量值不再发生变化。通过以上的分析可以得出这样的结论：在没有DH+光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分 布着原子，而当D&+光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”至到M=+2的子能级1 F上，出现了“粒子数反转”的现象(偏极化)。在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率v使之满足(B4-9)这时将出现“射频受激辐射”，光吸收过程重又开始，光强测量值又降低。跃迁到5P态的原子在退 激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5
8、S态的8个子能级上全有 了原子。由于此Mf=+2子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”F(B4-10)在加入了周期性的“扫场”磁场以后，总磁场为B肿BDC+BS+Be /其中BDC是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场，方向在水平方向，B 是地球磁场 的水平分量，这两部分在实验中不变。BS是周期性的“扫场”磁场，也是水平方向的。地球磁场的 垂直分量被一对线圈的磁场所抵消。当光磁共振发生时，满足量子条件hv = g 卩(B + B + B )(B4-11)1 F B DC Se /通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可能观察不到共振信号。调节直流电流线
9、圈所产生的磁场，又可以看到共振信号，并调到如图B4-7所示的状态，记下此时的B，则有如DC 2下的量子条件成立hv 二 g 卩(B + B + B )(B4-12)2 F B DC S e /由(B4-11)、(B4-12)式得gf_2 hvIB (BDC 1+ BDC2)(B4-13) 直流磁场BDC可以通过读出两个并联线圈的电流之和I来计算(亥姆霍兹线圈公式)16兀 NI “B 二x 10 -7 (T)(B4-14)DC53/2 r式中N和r是两个水平线圈的匝数和有效半径，因为两个线圈是并联的，数字表显示的I值是流过两个线圈的电流之和。光霹振j11图B4-7光磁共振信号图像III以上介绍的
10、是针对样品只存在一种原子的情况，事实上，样品中同时存在87Rb和85Rb，所以， 一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现 的。对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其尸因子。要注意，gF因子的值不 仅与原子有关，而且还与量子数F的值有关。不难看出，这里测量的是87Rb的5S态中F=2的尸因子， 而对于85Rb来讲，测量的是F=3的&尸因子。两种原子的gF因子之比为gF(87丽)=2(2+1)+2(i+2)- 2(i+2)泪3+1)+2(i+2)-辿+2)=3組牛g (85Rb)2 X 2 X (2 +1)2 X 3 X (3 +1)
11、2 F上式为判断共振信号是哪一种原子引起的提供了依据。三. 利用光磁共振测量地磁场的水平分量在光磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量B 的值，这为光磁共振提供了另一个应 e /用。方法如下：在测量出g0子之后，在(B4-11)式的基础上，同时将BDBS倒向，调节BDC，出 FDC SDC现如图B4-8所示的信号，则有如下量子条件成立妝二 g 卩(-B B + B )(B4-16)3 F BDCSe /由(B4-11)式加(B4-16)式得B =( B B )/2e / DC 1 DC 2(B4-17)常、V图B4-8测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像【实验装置】本实验系统由主体单元、主
12、电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图U-9。 辅助源 主体单元* 示波器 kl_ !主电源 图B4-9光磁共振实验装置方框图水平磁场线圈厂L垂直磁场线圈图B4-10主体单元示意图其中主体单元示意图见图B4-10。其中射频信号发生器提供频率和幅度可调的射频（功率）信 号；主电源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电源；辅助源提供水平磁场调制信号QOHz方 波和20Hz三角波，调制电流的方向可颠倒）以及对样品室的温度进行控制等；主体单元的各组成部 分装在一光具座上，包括Rb光源、光学变换器件、光探测器、样品室和水平及垂直磁场线圈等。样 品室是一个封装了Rb原子饱和气体的玻璃泡，其中
13、还混有浓度比Rb蒸气浓度高几个数量级的“缓冲 气体” N2或Ne等无分子磁矩的气体。【实验内容】一. 观测光抽运信号二. 观测光磁共振信号三. 测量地磁场【注意事项】1. 在观察光抽运信号时，调节扫场幅度，将抽运信号调节到等高，调好后，固定扫场幅度。2. 在实验过程中应注意区分87Rb、85Rb的共振信号，当水平磁场不变时，频率高的为87Rb共 振谱线，频率低的为85Rb的共振谱线。3. 为避免杂散光影响信号的幅度及波形，主体单元应当罩上遮光罩。4. 在实验过程中，本装置主体单元一定要避开其它铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线。【数据记录及处理】1、观察光抽运信号按照实验要求进行仪器的调节，通
14、过指南针可以判断，水平场按钮按下去时水平场与地磁场水平分量同向，弹出时水平场与地磁场水平分量反向；扫场按钮按下去时扫场与地磁场水平分量反向， 弹出时扫场与地磁场水平分量同向。进而调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。当方波信号方向改变时，光抽运现象开始，样品泡内铷原子5S态的8个子能级上的原子数近 似相等，此时对光的吸收最强，探测器上接受的光信号最弱。随着原子逐步被“抽运”到Mf=+2 的子能级上，透过样品泡的光逐渐增强，光抽运信号逐渐增强；当“抽运” 到M=+2子能级上的原F子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。当“扫场”过零并反向时，各子能级 简并，原来是Mf=+2的原子各个自旋方向上的原子数又接近相等，当“扫场”反向、铷原子各子能 级重新分裂以后，对D1 （+光的吸收又达到了最大。“扫场”方向不断改变就出现了如图所示的光抽 运信号。2、观测光磁共振信号1测量gF因子。仪器线圈参数见仪器所给使用说明书。保持射频频率v=602KHZ不变，改变B的大小和方向。 deB （A）de1B（A）de 2朗德因子gF误差（）87 Rb0.2750.0950.33085 Rb0.3660.1850.4960.8由B4-13式，易得：gF误差分析
