光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包含：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)使用儀器與材料、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與歸納（數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等）、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、實(shí)驗(yàn)心得一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.觀察銣原子光抽運(yùn)信號，加深對原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的理解；2.觀察銣原子的磁共振信號，測定銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級的朗德因子；3.學(xué)會利用光磁共振的方法測量地磁場。二、實(shí)驗(yàn)使用儀器與材料：數(shù)字示波器、光泵磁共振實(shí)驗(yàn)儀、射頻信號發(fā)生器、頻率計(jì)、DHg07A型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置電源。 （核磁共振儀器連線圖）三、實(shí)驗(yàn)步驟：1儀器調(diào)整（1）撳進(jìn)預(yù)熱鍵，加熱樣品吸收泡約5并控溫，同時(shí)也加熱銣燈約并控溫，約3分鐘溫度穩(wěn)定，撳進(jìn)工作鍵，此時(shí)銣燈應(yīng)發(fā)出玫瑰紫色光。（2）將光源、透鏡、吸收池、光電探測器等的位置調(diào)到準(zhǔn)直，調(diào)節(jié)前后透鏡的位置使到達(dá)光電池的光量最大。（）調(diào)整雙蹤示波器，使一通道觀察掃場電壓波形，另一通道觀察光電探測器的信號。2觀測光抽運(yùn)信號（1）先用指南針判斷掃場、水平場、垂直場相對于地磁場的方向。當(dāng)判斷某一場時(shí)應(yīng)將另兩個(gè)場置于零，判斷水平場和垂直場時(shí)，應(yīng)記下數(shù)字電壓表對應(yīng)電壓的符號。（2）不開射頻振蕩器，掃場選擇“方波”，調(diào)節(jié)掃場的大小和方向，使掃場方向與地磁場的水平分量方向相反，特別是地磁場的垂直分量對光抽運(yùn)信號有很大影響，因此要使垂直恒定磁場的方向與其相反并抵消。同時(shí)旋轉(zhuǎn)波片，可獲得最佳光抽運(yùn)信號（圖2-）。掃場是一交流調(diào)制場。當(dāng)它過零并反向時(shí)，分裂的塞曼子能級將發(fā)生簡并及再分裂；當(dāng)能級簡并時(shí)，銣原子的碰撞使之失去偏極化；當(dāng)能級再分裂后，各塞曼子能級上的粒子布居數(shù)又近于相等，因此光抽運(yùn)信號將再次出現(xiàn)。掃場的作用就是要反復(fù)出現(xiàn)光抽運(yùn)信號。當(dāng)?shù)卮艌龅拇怪狈至勘淮怪眻龅窒麜r(shí)將出現(xiàn)最佳光抽運(yùn)信號，故此時(shí)也就測出地磁場垂直分量的大小。測量基態(tài)的值由磁共振表達(dá)式得 .(4)可由頻率計(jì)給出，因此如知便可求出。此處是使原子塞曼分裂的總磁場，它包括除了可以測知的水平場外還包括地磁水平分量和掃場直流分量。實(shí)驗(yàn)采用將水平場換向的方法來消除地磁水平分量和掃場直流分量。先將水平場和掃場與地磁場水平方向相同，掃場為三角波，水平場電壓調(diào)到一定值。調(diào)節(jié)射頻信號頻率，發(fā)生磁共振時(shí)將觀察到圖2-5波形，此時(shí)頻率為1（對應(yīng)于總場為1），再改變水平場方向，仍用上述方法得到頻率2（對應(yīng)于總場為2），如圖2-5所示。這樣就排除了地磁場水平分量和掃場直流分量的影響。而水平場對應(yīng)的頻率為（12）2，水平磁場的數(shù)值可由水平電壓和水平亥姆霍茲線圈的參數(shù)來確定。由于與的值不同，根據(jù)對的，對的可知，當(dāng)水平場不變時(shí)，頻率高的為共振信號，頻率低的為共振信號；當(dāng)射頻不變時(shí)，水平磁場大的為共振信號，水平磁場小的為共振信號。還要注意的是，因?yàn)槿遣⊕邎龅牟ǚ搴筒ü忍幍拇艌鰪?qiáng)度不同，故對每一同位素將分別在波峰和波谷處觀察到不同頻率的磁共振信號。上述實(shí)驗(yàn)是固定水平磁場調(diào)節(jié)射頻頻率的方法（調(diào)頻法），還可以采用固定射頻頻率調(diào)節(jié)水平磁場的方法（調(diào)場法）進(jìn)行。 測量地磁場 同測方法類似，先使掃場、水平場與地磁場水平分量方向相同測得，然后同時(shí)改變掃場和水平場的方向測得，這樣得到地磁場水平分量對應(yīng)的頻率為，即排除了掃場和水平場的影響，從而得到,而已在實(shí)現(xiàn)最佳光抽運(yùn)信號時(shí)測知，由此可得地磁場的大小和方向：（5）（6）四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與歸納（數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等）： （核磁共振實(shí)驗(yàn)儀圖） （光抽運(yùn)信號圖） （核磁共振圖像（1）， =9.711000kHz） （核磁共振圖像（2），=10.841000kHz）實(shí)驗(yàn)參數(shù)核磁共振圖像（1）9.71100kHz核磁共振圖像（2）10.84100kHz垂直場電磁場B10.053T加在線圈上的水平直流電I0 0.464A線圈的有效半徑r0.2376m線圈每邊的匝數(shù)N250（1） 理論上的朗德因子計(jì)算：， （1）（2）1、計(jì)算理論上的朗德因子， 對于 ，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 3/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。2、計(jì)算理論上的朗德因子 對，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 5/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 ；電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。（2） 實(shí)際上測出理論上的朗德因子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，銣原子的為其中h為普朗克常數(shù)，為玻爾磁子，為射頻頻率。 因?yàn)?,即，當(dāng)出現(xiàn)該共振信號時(shí)，為信號。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：本實(shí)驗(yàn)我們通過DH807型光泵磁共振的實(shí)驗(yàn)裝置觀察了銣原子的光抽運(yùn)信號和光泵磁共振信號，并通過測量得到了下列的數(shù)值。1. 理論得到的87Rb的gF=0.50000；2. 實(shí)驗(yàn)得到的85Rb的，與理論值的誤差為0.335%。符合實(shí)驗(yàn)要求。六、思考題：1、 找和觀察光抽運(yùn)信號時(shí)，一開始可能找不到光抽運(yùn)信號，試分析有哪幾種可能的原因。答：可能有四種原因：（1）儀器未充分預(yù)熱；（2）可能是沒有把水平磁場的方向調(diào)到與地磁場水平分量相反；（3）電場電流設(shè)置不正確；（4）沒有加上遮光罩。2. 實(shí)驗(yàn)為了觀察磁共振信號，在恒定磁場上疊加了直流分量不為零的三角波磁場信號，如果恒定磁場、地磁場的水平分量和三角波磁場的方向組合合適，有時(shí)也會出現(xiàn)光抽運(yùn)信號。這樣產(chǎn)生的光抽運(yùn)信號和磁共振信號有什么不同？如何區(qū)別？如何避免在觀測磁共振信號時(shí)出現(xiàn)光抽運(yùn)信號？答：該光抽運(yùn)信號當(dāng)磁場頻率改變時(shí)信號變化不大，可以調(diào)節(jié)頻率用以區(qū)別。為了避免出現(xiàn)這種情況的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要先從低電流時(shí)的反向頻率測起，保證在此時(shí)不會過零，這樣才能保證以后測量數(shù)據(jù)的正確性。3. 實(shí)驗(yàn)裝置中為什么要用垂直磁場線圈抵消地磁場的垂直分量？不抵消會有什么不良后果？答：用垂直磁場線圈抵消地磁場的垂直分量是為了消除地磁場在垂直方向上對實(shí)驗(yàn)的影響，如不抵消，實(shí)驗(yàn)效果將不明顯，導(dǎo)致誤差較大，甚至觀察不到信號。4. 試計(jì)算出87Rb和85Rb的gF因子理論值。答：（1）對于 ，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 3/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。（2）對，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 5/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 ；電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。5.銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級間的磁共振信號用什么方法檢測的？實(shí)驗(yàn)過程中如何區(qū)分87Rb 和85Rb的磁共振信號？答：（1）銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級間的磁共振信號采用在光抽運(yùn)的基礎(chǔ)上，施加一恒定磁場的B0的射頻場B1作用于樣品，并采用三角波作掃場。對應(yīng)于射頻場B1的頻率值，調(diào)節(jié)B0大小使?jié)M足磁共振條件h=gFB B0 ，便可觀測到光汞磁共振信號。（2） 共振頻率與磁場的關(guān)系為87Rb： ；85Rb：，因此對與同一磁場值，兩種同位素的共振磁場是不一樣，即可以先固定某一頻率，在由小到大調(diào)節(jié)B0，會先后兩次出現(xiàn)共振信號，根據(jù)上兩式，即可區(qū)分87Rb 和85Rb的磁共振信號。6.測定的gF因子的方法是否受到地磁場和掃場直流分量的影響？為什么？答：測定的gF因子的方法是受到地磁場和掃場直流分量的影響很大的影響，（1）因?yàn)楸緶y定方法是在弱磁場作用下進(jìn)行的，地磁場水平分量和掃場直流分量的影響