近代物理實(shí)驗(yàn)6-3光泵磁共振

1、近代物理實(shí)驗(yàn)近代物理實(shí)驗(yàn) 6-36-3光泵光泵磁共振磁共振 光泵磁共振是光抽運(yùn)和磁共振結(jié)合在一起的物 理過程，與傳統(tǒng)的光譜技術(shù)相比具有更高的分辨率 和靈敏度，且克服了核磁共振中的一些限制因素， 在研究原子結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)精確測(cè)量、激光技術(shù)等領(lǐng)域 有著廣泛應(yīng)用。 本實(shí)驗(yàn)通過光抽運(yùn)下的磁共振測(cè)量過程，學(xué)習(xí) 觀察原子與輻射場(chǎng)相互作用過程中的量子躍遷。 1. 1.光抽運(yùn)原理光抽運(yùn)原理 銣(Z=37)是一價(jià)金屬元素，有兩種同位素，基態(tài)都是52S1/2， 最低激發(fā)態(tài)是52P1/2和52P3/2 ， 87Rb能級(jí)圖如下： 在D1 +照射下，由52S1/2到52P1/2躍遷情況如圖： a 為基態(tài)吸收躍遷 b 為激發(fā)

2、態(tài)自發(fā)輻射 由吸收躍遷選擇定則 L=+1, F= 1,0, mF=+1， 52S1/2態(tài)的mF=+2能級(jí) 粒子不能躍遷；由自發(fā)輻射選擇定則 L= -1, F= 0, 1, mF= 1 ，躍遷 后的粒子可以退回基態(tài)的mF=+2能級(jí)。結(jié)果是將原子不斷“抽運(yùn)”到52S1/2 的mF=+2能級(jí)，造成各能級(jí)粒子分布不均，稱為偏極化。 2. 2.弛豫過程弛豫過程 光抽運(yùn)造成大的粒子數(shù)差，使系統(tǒng)處于非熱平衡狀態(tài)。使 系統(tǒng)趨向于熱平衡分布的過程即弛豫。實(shí)驗(yàn)中主要有以下過程： a.銣原子與器壁碰撞導(dǎo)致子能級(jí)間的躍遷 b.銣原子之間碰撞導(dǎo)致自旋自旋交換弛豫 c.銣原子與緩沖氣體間的碰撞 a、b過程會(huì)使系統(tǒng)失去偏極

3、化，且銣原子與器壁碰撞是失 去偏極化的主要原因，而c過程對(duì)偏極化基本無影響，故在樣 品泡中沖入緩沖氣體，大大減少了銣原子與器壁碰撞的機(jī)會(huì)， 可以保持高度偏極化。 3. 3.磁共振原理磁共振原理 4. 4.光磁共振光磁共振 塞曼能級(jí)差： E=gF BB 在垂直于B的方向加一射頻線偏振場(chǎng)，左 旋圓偏振場(chǎng)與原子磁矩進(jìn)動(dòng)方向一致， 調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)頻率與拉莫爾角頻率相等， 發(fā)生吸收或感應(yīng)躍遷： =E=gFBB 通過光抽運(yùn)造成能級(jí)間顯著的粒子數(shù)差，滿足磁共振條件時(shí)， 發(fā)生感應(yīng)躍遷。測(cè)量D1 +光強(qiáng)的變化可得磁共振信號(hào)。 光泵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置光泵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置 全套實(shí)驗(yàn)裝置方框圖全套實(shí)驗(yàn)裝置方框圖 1. 1.觀察

4、光抽運(yùn)信號(hào)觀察光抽運(yùn)信號(hào) 使掃場(chǎng)線圈的方形波磁場(chǎng)與H地垂直相反，調(diào)節(jié)H水平及 H垂直為零，旋轉(zhuǎn)起偏鏡，觀察到部分光被吸收的信 號(hào)。調(diào)節(jié)起偏鏡透振方向和H垂直的大小，使吸收信 號(hào)達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)H垂直與H地垂直剛好抵消。 2. 2.測(cè)量測(cè)量87 87Rb Rb的的g gF F值值 h =gF BB a. b. 消除地磁場(chǎng)影響： 3. 3.測(cè)量地磁場(chǎng)測(cè)量地磁場(chǎng) 利用上一步中的關(guān)系式和已知的gF值，求出水平分量，與第一 步中的垂直分量疊加得到地磁場(chǎng)。 4. 4.測(cè)量共振信號(hào)線寬測(cè)量共振信號(hào)線寬 調(diào)節(jié)射頻頻率，使共振信號(hào)平移，頻 率改變量與平移量有以下關(guān)系： 5. 5.測(cè)量抽運(yùn)時(shí)間和弛豫時(shí)間測(cè)量抽運(yùn)時(shí)間和弛豫時(shí)間 T1為抽運(yùn)時(shí)間，T2為弛豫時(shí)間 選三角波掃場(chǎng)，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小和方向，使光抽運(yùn)