光磁共振實驗報告

1、一、實驗目的 1掌握光抽運-磁共振-光檢測的實驗原理及實驗方法； 2研究原子，分子能級的超精細結構； 3測定銣原子同位素87Rb和85Rb的郎德因子g，測定電磁場的水平分量。二、實驗原理：1銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級銣（Z=37）是一價金屬元素，天然銣中含量大的同位素有兩種：87Rb，占27.85 %和85Rb，占7215%。它們的基態(tài)都是52S1/2。圖B4-1 Rb原子精細結構的形成在LS耦合下，形成雙重態(tài)：52P1/2和52P3/2，這兩個狀態(tài)的能量不相等，產生精細分裂。因此，從5P到5S的躍遷產生雙線，分別稱為D1和D2線，如圖B4-1所示，它們的波長分別是794.76nm和780.

2、0nm。通過LS耦合形成了電子的總角動量PJ，與此相聯(lián)系的核外電子的總磁矩為 （B4-1）式中 （B4-2）是著名的朗德因子，me是電子質量，e是電子電量。原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子數用I表示。核角動量和核外電子的角動量耦合成一個更大的角動量，用符號 表示，其量子數用F表示，則 （B4-3） 與此角動量相關的原子總磁矩為 （B4-4） 式中 （B4-5）是對應于與關系的朗德因子。在有外靜磁場B的情況下，總磁矩將與外場相互作用，使原子產生附加的能量 （B4-6）其中稱為玻爾磁子，是在外場方向上分量的量子數，共有2F1個值?？梢钥吹?，原子在磁場中的附加能量E隨變化，原來對簡并的能級發(fā)生分裂，

3、稱為超精細結構，一個F能級分裂成2F1個子能級，相鄰的子能級的能量差 （B4-7）再來看一下具體的分裂情況。87Rb的核自旋，85Rb的核自旋，因此，兩種原子的超精細分裂將不同。這里以87Rb為例，介紹超精細分裂的情況，可以對照理解85Rb的分裂。 圖B4-2 原子能級超精細分裂 原子在磁場中的超精細分裂情況如圖B4-2所示。由于實驗中D2線被濾掉，所涉及的52P3/2態(tài)的耦合分裂也就不用考慮。2光磁共振躍遷實驗中已對銣光源進行了濾光和變換，只讓D1+光（左旋圓偏振光）通過并照射到產生超精細分裂的銣原子蒸氣上，銣蒸氣將對D1+光產生吸收而發(fā)生能級間的躍遷。需要指出的是（1）從常溫對應的能量kB

4、T來衡量，超精細分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根據玻爾茲曼分布 （B4-8）由52S1/2分裂出的8條子能級上的原子數應接近均勻分布；同樣，由52P1/2分裂出的8條子能級上的原子數也接近均勻分布。（2）如果考慮到熱運動造成的多普勒效應，銣光源發(fā)出的D1+光實際包含了連續(xù)頻率的光，這些光使得D1線有一定的寬度，同時也為銣蒸氣可能進行的各種吸收提供了豐富的譜線。處于磁場環(huán)境中的銣原子對D1+光的吸收遵守如下的選擇定則 ； 根據這一選擇定則可以畫出吸收躍遷圖，如圖B4-3所示。圖B4-3 87Rb原子對D1+光的吸收和退激躍遷可以看到，躍遷選擇定則是 ； 躍遷見圖B4-3的右半部分。當光連

5、續(xù)照著，躍遷5S5P5S5P這樣的過程就會持續(xù)下去。這樣，5S態(tài)中子能級上的原子數就會越積越多，而其余7個子能級上的原子數越來越少，相應地，對D1+光的吸收越來越弱，最后，差不多所有的原子都躍遷到了5S態(tài)的MF=+2的子能級上，其余7個子能級上的原子數少到以至于沒有幾率吸收光，這時光強測量值不再發(fā)生變化。通過以上的分析可以得出這樣的結論：在沒有D1+光照射時，5S態(tài)上的8個子能級幾乎均勻分布著原子，而當D1+光持續(xù)照著時，較低的7個子能級上的原子逐步被“抽運”到MF=+2的子能級上，出現了“粒子數反轉”的現象（偏極化）。在“粒子數反轉”后，如果在垂直于靜磁場B和垂直于光傳播方向上加一射頻振蕩的

6、磁場，并且調整射頻頻率，使之滿足 （B4-9）這時將出現“射頻受激輻射”，光吸收過程重又開始，光強測量值又降低。躍遷到5P態(tài)的原子在退激過程中可以躍遷到5S態(tài)的最下面的3個子能級上，所以，用不了多久，5S態(tài)的8個子能級上全有了原子。由于此時MF=+2子能級上的原子不再能久留，所以，光躍遷不會造成新的“粒子數反轉”。在加入了周期性的“掃場”磁場以后，總磁場為Btotal=BDC+BS+ （B4-10）其中BDC是一個由通有穩(wěn)定的直流電流的線圈所產生的磁場，方向在水平方向，是地球磁場的水平分量，這兩部分在實驗中不變。BS 是周期性的“掃場”磁場，也是水平方向的。地球磁場的垂直分量被一對線圈的磁場所

7、抵消。當光磁共振發(fā)生時，滿足量子條件 （B4-11）通過儀器上的換向開關將直流磁場的方向倒轉，此時可能觀察不到共振信號。調節(jié)射頻的頻率，又可以看到共振信號，并調到如圖B4-7所示的狀態(tài)，記下射頻的頻率2，則有如下的量子條件成立 （B4-12）由（B4-11）、（B4-12）式得 （B4-13）直流磁場BDC可以通過讀出兩個并聯(lián)線圈的電流之和I來計算（亥姆霍茲線圈公式） （T） （B4-14）式中N和是兩個水平線圈的匝數和有效半徑，因為兩個線圈是并聯(lián)的，數字表顯示的值是流過兩個線圈的電流之和。圖B4-7 光磁共振信號圖像以上介紹的是針對樣品只存在一種原子的情況，事實上，樣品中同時存在87Rb和8

8、5Rb，所以，一般在示波器上能先后看到兩種原子造成的光磁共振信號，當改變射頻信號頻率時二者是交替出現的。對每一種原子造成的共振信號都可以用上面介紹的方法測量其gF因子。要注意，gF因子的值不僅與原子有關，而且還與量子數F的值有關。不難看出，這里測量的是87Rb的5S態(tài)中F=2的gF因子，而對于85Rb來講，測量的是F=3的gF因子。兩種原子的gF因子之比為 （B4-15）上式為判斷共振信號是哪一種原子引起的提供了依據。3利用光磁共振測量地磁場的水平分量在光磁共振實驗中，還能測量到地球磁場的水平分量的值，這為光磁共振提供了另一個應用。方法如下：在測量出gF因子之后，在（B4-11）式的基礎上，同

9、時將BDC和BS倒向，調節(jié)射頻信號頻率至3，出現如圖B4-8所示的信號，則有如下量子條件成立 （B4-16）由（B4-11）式加（B4-16）式得= （B4-17）圖B4-8 測量地磁場水平分量時光磁共振信號圖像四、實驗儀器： DH807A型光磁共振試驗儀四、實驗數據處理：1、 觀察光抽運信號按照實驗要求進行儀器的調節(jié)，通過指南針可以判斷，水平場按鈕按下去時水平場與地磁場水平分量同向，彈出時水平場與地磁場水平分量反向；掃場按鈕按下去時掃場與地磁場水平分量反向，彈出時掃場與地磁場水平分量同向。進而調節(jié)掃場幅度，使光抽運信號幅度等高。2、 觀測光磁共振信號電流(A)0.20.2250.250.27

10、50.30.3250.350.3750.40.425同向kHz960104011301200128013601450153016101690反向kHz3204104805506407408108909701050 可求出gF因子。儀器參數項目名稱水平場掃場垂直場線圈每邊匝數N250250100線圈有效半徑r0.2406m0.2420m0.1530m ，N和為兩個水平線圈的匝數和有效半徑，為流過兩個線圈的電流之和得：a=gf*bh,可得gf=ahb;gf=0.500124由實驗原理知理論值為誤差為Er=0.500124-0.50.5×100%=0.0248%其中b=-12082，且根據

11、公式=ba得=1.726*10E-63誤差分析： 數據較為準確可能會造成誤差的因素有：外界磁場的影響，儀器并未充分預熱測量時電流并不準確精確度不夠外界光源通過遮光的布空隙透進等五：習題一、實驗預習：1.導軌上各個元件的作用 天然銣和惰性氣體在小泡內，兩側放置射頻線圈提供射頻磁場。中間位恒溫槽，稱為吸收池。槽內溫度55度。垂直磁場線圈產生的磁場用來抵消地磁場的垂直分量。水平磁場線圈兩個繞組，一組為水平直流磁場線圈，使銣原子的超精細能級產生塞曼分裂。另一組為掃場線圈，使直流磁場疊加一個調制磁場。銣光譜燈作為抽運光源。準直透鏡使光平行過小泡。會聚透鏡使光匯聚到光電池上。干涉濾光鏡選出D1光。偏振片和1/4玻片使光成為左旋圓偏振光。2.射頻場的作用是 用射頻電磁場作用使之發(fā)生磁共振，用光探測原子對入射光的吸收，從而獲得光泵磁共振信號。3.為什么要將D1線轉變成左旋圓偏振光 因為分裂的塞曼能級間的能量差很小，可以認為原子在塞曼能級上是的分裂是均勻的所以光磁共振要用銣光譜燈產生