近代物理實驗_光磁共振實驗深圳大學

1、深 圳 大 學 實 驗 報 告 課程名稱： 近代物理實驗 實驗名稱： 光磁共振實驗報告 學院： 物理科學與技術(shù)學院 組號 09 指導教師： 陳靜秋 報告人： 學號： 班級： 01 實驗地點 科技樓B105 實驗時間： 實驗報告提交時間： 一、實驗?zāi)康?、熟悉光磁共振原理及儀器使用； 2、觀察光抽運現(xiàn)象；3、測量朗德因子值；4、培養(yǎng)實驗報告規(guī)范與處理能力；5、作圖作表與數(shù)據(jù)處理能力；6、基本實驗的測試能力。二、實驗原理1、銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)能級 本實驗的研究對象為銣原子，天然銣有兩種同位素； 85Rb（占7215%）和87Rb（占2785%）選用天然銣作樣品，既可避免使用昂貴的單一同位素，又

2、可在一個樣品上觀察到兩種原子的超精細結(jié)構(gòu)塞曼子能級躍遷的磁共振信號銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級結(jié)構(gòu)如圖941所示在磁場中，銣原子的超精細結(jié)構(gòu)能級產(chǎn)生塞曼分裂標定這些分裂能級的磁量子數(shù)mF=F，F(xiàn)1，F(xiàn)，因而一個超精細能級分裂為2F1個塞曼子能級 設(shè)原子的總角動量所對應(yīng)的原子總磁矩為F，F(xiàn)與外磁場B0相互作用的能量為EF·B0gF mF F B0                     &

3、#160;             （9.4.1）這正是超精細塞曼子能級的能量式中玻爾磁子B92741×1024J·T1 ，朗德因子gF= gF F(F+1)+J(J+1)I（I1） 2F（F1）    （9.4.2）其中g(shù)J= 1+J(J+1)L(L+1)+S（S1） 2J（J1）           &#

4、160;      （9.4.3）上面兩個式子是由量子理論導出的，把相應(yīng)的量子數(shù)代入很容易求得具體數(shù)值由式（9.4.1）可知，相鄰塞曼子能級之間的能量差EgF B B0 ，                               

5、60;              （9.4.4）式中E與B0成正比關(guān)系，在弱磁場B00，則塞曼子能級簡并為超精細結(jié)構(gòu)能級2光抽運效應(yīng)  在熱平衡狀態(tài)下，各能級的粒子數(shù)遵從玻耳茲曼分布，其分布規(guī)律由式(90.12)表示由于超精細塞曼子能級間的能量差E很小，可近似地認為這些子能級上的粒子數(shù)是相等的這就很不利于觀測這些子能級之間的磁共振現(xiàn)象為此，卡斯特勒提出光抽運方法，即用圓偏振光激發(fā)原子使原子能級的粒子數(shù)分布產(chǎn)生重大改變由于光波中磁場對電子的作用遠小于電場對電

6、子的作用，故光對原子的激發(fā)，可看作是光波的電場分布起作用設(shè)偏振光的傳播方向跟產(chǎn)生塞曼分裂的磁場B0的方向相同，則左旋圓偏振的光的電場E繞光傳播方向作右手螺旋轉(zhuǎn)動，其角動量為；右旋圓偏振的光的電場E繞光傳播方向作左手螺旋轉(zhuǎn)動，其角動量為；線偏振的光可看作兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光的疊加，其角動量為零現(xiàn)在以銣燈作光源由圖9.4.1可見，銣原子由5 2P125 2S12的躍遷產(chǎn)生D1線，波長為07948m；由5 2P325 2S12的躍遷產(chǎn)生D2線，波長為o7800m這兩條譜線在銣燈光譜中特別強，用它們?nèi)ゼぐl(fā)銣原子時，銣原子將會吸收它們的能量而引起相反方向的躍遷過程然而，頻率一定而角動量不同的光所引

7、起的塞曼子能級的躍遷是不同的，由理論推導可得躍遷的選擇定則為 L±1   ，  F0，±1，      mF±1   。                （9.4.5）所以，當入射光為D1光，作用87Rb時，由于87Rb的5 2S12態(tài)和5 2P12態(tài)的磁量子數(shù)mF的最大值均為±2，而光角動量為只能引

8、起mF1的躍遷，故D1光只能把基態(tài)中除mF2以外各子能級上的原子激發(fā)到5 2P12的相應(yīng)子能級上，如圖942(a)所示    圖942(b)表示躍遷到5 2P12上的原子經(jīng)過大約108s后，通過自發(fā)輻射以及無輻射躍遷兩種過程，以相等概率回到基態(tài)5 2S12各個子能級上這樣，經(jīng)過多次循環(huán)之后，基態(tài)mF2子能級上的粒子數(shù)就會大大增加，即基態(tài)其他能級上大量的粒子被“抽運”到基態(tài)mF2子能級上這就是光抽運效應(yīng)    同理，如果用D1光照射，則大量粒子將被“抽運”到mF2子能級上但是，光照射是不可能發(fā)生光抽運效應(yīng)的對于銣85Rb，若用D1光照射

9、，粒子將會“抽運”到mF3子能級上    3弛豫過程  光抽運使得原子系統(tǒng)能級分布偏極化而處于非平衡狀態(tài)時，將全通過弛緣過程回復到熱平衡分布狀態(tài)弛豫過程的機制比較復雜，但在光抽運的情況下，銣原子與容器壁碰撞是失去偏極化的主要原因通常在銣樣品泡內(nèi)充入氮、氖等作為緩沖氣體，其密度比樣品泡中銣蒸氣的原子密度約大6個數(shù)量級，可大大減少銣原子與容器壁碰撞的機會緩沖氣體的分子磁矩非常小，可認為它們與銣原子碰撞時不影響這些原子在磁能級上的分布，從而能保持銣原子系統(tǒng)有較高的偏極化程度但緩沖氣體不可能使銣原子能級之間的躍遷完全被抑制，故光抽運也就不可能把基態(tài)上的原子全部“

10、抽運”到特定的子能級上由實驗得知樣品泡中充入緩沖氣體后，弛豫時間為102s數(shù)量級在一般情況下，光抽運造成塞曼子能級之間的粒子差數(shù)，比玻耳茲曼分布造成的差數(shù)大幾個數(shù)量級    1磁共振與光檢測  式（9.4.4）給出了銣原子在弱磁場B0作用下相鄰塞曼子能級的能量差要實現(xiàn)這些子能級的共振躍遷，還必須在垂直于恒定磁場B0的方向上施加一射頻場B1作用于樣品當射頻場的頻率滿足共振條件           h E gF B B0    &

11、#160;                            (946)時，便發(fā)生基態(tài)超精細塞曼子能級之間的共振躍遷現(xiàn)象若作用在樣品上的是D1光，對于87Rb來說是由mF2躍遷到mF1子能級接著也相繼有mF1的原子躍遷到mF0，與此同時，光抽運又把基態(tài)中非mF2的原子抽運引mF2子能級上因此，興振躍遷與光抽運將會達到一個新的

12、動態(tài)平衡發(fā)生磁共振時，處于基態(tài)mF2子能級上的原子數(shù)小于未發(fā)生磁共振時的原子數(shù)也就是說，發(fā)生磁共振時能級分布布的偏極化程度降低了，從而必然會增大對D1光的吸收。   作用在樣品上的D1光，一方面起抽運作用另一方面可用透過樣品的光作為檢測光，即一束光起了抽運和檢測兩重作用對磁共振信號進行光檢測可大大提高檢測的靈敏度本來塞曼子能級的磁共振信號非常微弱，特別是密度很低的氣體樣品的信號就更加微弱，直接觀察射頻共振信號是很困難的光檢測充分利用磁共振時伴隨著D1光強的變化，可巧妙地將一個頻率較低的射頻量子(110MHz)轉(zhuǎn)換成一個頻率很高的光頻量子（約108MHz）的變化，使

13、觀察信號的功率提高了78個數(shù)量級這樣，氣體樣品的微弱磁共振信號的觀測，便可用很簡便的光檢測方法來實現(xiàn) 三、實驗儀器實驗裝置的方框圖如圖944所示，由光泵磁振實驗裝置的主體單元及其輔助設(shè)備（包括輔助源，射頻信號發(fā)生器，頻率計和示波器等）    1主體單元  光路系統(tǒng)中的光源為高頻無極放電銣燈，具有噪音小、光強大和穩(wěn)定性好等特點濾波片采用干涉濾光片，透過率大于50，帶寬小于0015m能很好地慮去D2光（D2 光不利于D1的光抽運）透鏡L1將光源發(fā)射的光變?yōu)槠叫泄馐?，其焦距約為58cm偏扳振片使平行光束轉(zhuǎn)為平面偏振光再經(jīng)1 4波片得到圓偏振光，從而可獲得D1作

14、用于樣品接著，透鏡L2把透過樣品泡的光束會聚到光電器件上，變?yōu)殡娦盘柗糯蠛笤偎偷绞静ㄆ黠@示    主體單元設(shè)置了幾組線圈，為實驗提供所需要的各種磁場作用于樣品產(chǎn)生水平恒定磁場和掃場的兩組亥姆霍茲線圈，繞在同一組線圈架上，其軸線應(yīng)與地磁場水平分量的方向一致(即三角導軌應(yīng)取南北向)恒定磁場B0值由02×104T連續(xù)可調(diào)掃場BS值約為0011×104T，也可連續(xù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生垂直恒定磁場的一組亥姆霍茲線圈，用以抵銷地磁場垂直分量還有一組安放在恒溫室內(nèi)樣品泡兩側(cè)的射頻線圈，它們的軸向與B0垂直關(guān)于各組亥姆霍茲線圈在樣品泡位置所產(chǎn)生的磁場，可分別由表頭指示（或

15、另接數(shù)字電壓表顯示）的電壓值及亥姆霍茲線圈參數(shù)求得    B（4496NV）×10 7 rR    （T）                           （9.4.7）式中N為線圈每邊匝數(shù)，R為線圈每邊繞線的電阻()，r為線圈的有效半徑（m），V為加到線圈上的直流

16、電壓(V)各組線圈的這些數(shù)值可在議器說明書上查得2輔助設(shè)備  輔助源為主體單元提供產(chǎn)生水平磁場和垂直磁場的直流穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生掃場的方波和三角波信號源，以及提供控制和監(jiān)測系統(tǒng)另外，還設(shè)有“外接掃描”插座，可用示波器的鋸齒波掃描輸出經(jīng)電阻分壓及電流放大后作為掃場信號源，以代替輔助源中方波和三角波信號源示波器作為顯示和測量實驗中各種信號之用可由雙線示波器的其中一個通道（例如Y1）觀測方波和三角波等掃場信號，另一個通道(例如Y2)觀測光抽運和磁共振信號實驗中兩個通道的信號對照觀測，可能更好地理解原理，更好地進行調(diào)節(jié)和檢測工作4、 實驗內(nèi)容及具體步驟：一、 準備： 在裝置加電之前，先應(yīng)進行主體

17、單元光路的機械調(diào)整(見本說明書安裝和調(diào)整部分)。 再借助指南針將光具座與地磁場水平分量平行擱置。檢查各聯(lián)線是否正確。 將“垂直場”、“水平場”、“掃場幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開關(guān)。然后接通電源線，按下電源 開關(guān)。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點亮，實驗裝置進入工作狀態(tài)。二、 觀測光抽運信號掃場方式選擇“方波”，調(diào)大掃場幅度。再將指南針置于吸收池上邊，改變掃場的方向，設(shè)置掃場方向與地磁場水平分量方向相反，然后將指南針拿開。預(yù)置垂直場電流為0.07A左右，用來抵消地磁場垂直分量。然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度、調(diào)節(jié)掃場幅度及垂直場大小和方向，使光抽運信號(如圖7.所示)幅度最大。再仔細調(diào)節(jié)光路聚焦，使光

18、抽運信號幅度最大。 圖. 光抽運信號三、 觀測光磁共振譜線31 測量g因子掃場方式選擇“三角波”，將水平場電流預(yù)置為0.2A左右，并使水平磁場方向與地磁場水平分量和掃場方向相同(由指南針來判斷)。垂直場的大小和偏振鏡的角度保持上面的狀態(tài)。調(diào)節(jié)射頻信號發(fā)生器頻率，可觀察到共振信號，對應(yīng)圖8.a波形，可讀出頻率及對應(yīng)的水平場電流I。再按動水平場方向開關(guān)，使水平場方向與地磁場水平分量和掃場方向相反。仍用上述方法(如圖8.b所示)，可得到。這樣,水平磁場所對應(yīng)的頻率為，即排除了地磁場水平分量及掃場直流分量的影響。水平磁場的數(shù)值可從水平場、 電流及水平亥姆霍茲線圈的參數(shù)來確定(亥姆霍茲線圈軸線中心處磁場

19、的公式見附錄)。 由公式： (1) (2)可計算出因子。式中： 玻爾磁子； 普朗克常數(shù)； 水平直流磁場； 共振頻率。5、 數(shù)據(jù)處理 亥姆霍茲線圈參數(shù)：水平場線圈掃場線圈垂直場線圈線圈匝數(shù)250250100有效半徑0.2676m0.2420m0.1530m水平電場為0.2A 水平場線圈r=0.2676m 水平場線圈N=250頻率KHz 幅度波峰波谷正向（按下）516KHz 776KHz 369KHz 550KHz 反向（彈起）328KHz 491KHz 478.6KHz 717KHz 表中最大共振幅度的頻率分別是516KHz ，328KHz ，369KHz，478.6KHz 為85Rb的共振信號

20、。頻率776KHz ，491KHz ，550KHz ，717KHz 為87Rb的共振信號。共振信號對準波谷時，求85Rb的朗德因子g及其相對誤差：銣原子的為 ；B=B水平+B水平掃場+B水平地磁場 其中h為普朗克常數(shù)，為玻爾磁子，為射頻頻率。 v=（369KHz+478.6KHz）/2=432.8KHz，可以得到 85Rb 的 = 理論值gF理論 = 相對誤差為共振信號對準波峰時，求85Rb的朗德因子g及其相對誤差：v=（516KHz+328KHz）/2=422KHz，可以得到85Rb的 = 理論值gF理論 = 相對誤差為共振信號對準波峰時，求87Rb的朗德因子g及其相對誤差：v=（776KH

21、z+491KHz）/2=633.5KHz，可以得到87Rb的 = 理論值gF理論 = 相對誤差為共振信號對準波谷時，求87Rb的朗德因子g及其相對誤差：v=（550KHz+717KHz）/2=633.5KHz，可以得到87Rb的 =理論值gF理論 = 相對誤差為六、實驗結(jié)果 87Rb的朗德因子g及其相對誤差：v=（776+491+550+717） /4=633.5KHz，可以得到87Rb的 = 理論值gF理論 = 相對誤差為5.4%85Rb的朗德因子g及其相對誤差：v=（516KHz+328KHz+369KHz+478.6KHz）/4=422.9KHz，可以得到85Rb的 = 理論值gF理論

22、= 相對誤差為5%七、實驗總結(jié).通過這次實驗，我了解并且熟悉了光磁共振的原理以及如何通過使用儀器來完成實驗；并且學習了光抽運現(xiàn)象的原理以及如何去測量朗德因子。本次實驗操作并不復雜，還算簡單，因此實驗過程較為順利。實驗最終所得相對誤差為5%，在誤差范圍內(nèi)，較精確。八、思考題1為什么要濾去D2光？用光為什么不能實現(xiàn)光抽運?用D1光照射85Rb將如何？答：濾去D2光的原因是它不利于D1光的搬運，躍遷到52P1/2上的原子通過自發(fā)輻射以及無輻射躍遷兩種過程回到基態(tài)52S1/2各個子能級上，經(jīng)過多次循環(huán)之后，基態(tài)其他能級上大量的例子被搬運到基態(tài)mF=+2子能級上，為此光抽運，而當用光時，由于mF=0，則不產(chǎn)生光抽運效應(yīng)，且此時85Rb原子對光有強的吸收，而用D1光照射時，光有與+光同樣的作用，不過它是將大量粒子抽運到mF=-2的能級上。2銣原子超精細結(jié)構(gòu)塞曼子能級間的磁共振信號是用什么方法檢測的?實驗過程中如何區(qū)分87Rb和85Rb的磁共振信號？答：磁共振信號是通過測量透射光強的變化得到的，光檢測罰利用磁共振時伴隨著+光強的變化，巧妙的將一個頻率較低的射頻兩字轉(zhuǎn)換成一個射頻較高的光頻量子的變化，使觀察信號的功率提高了7-8個數(shù)量級。當水平場不變時，頻率高的為87Rb共振信號，頻率較低的為85Rb共振信號。