光磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握光抽運(yùn)-磁共振-光檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法； 2研究原子，分子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)； 3測(cè)定銣原子同位素87Rb和85Rb的郎德因子g，測(cè)定電磁場(chǎng)的水平分量。二、實(shí)驗(yàn)原理：1銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)銣（Z=37）是一價(jià)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(xì)結(jié)構(gòu)的形成在LS耦合下，形成雙重態(tài)：52P1/2和52P3/2，這兩個(gè)狀態(tài)的能量不相等，產(chǎn)生精細(xì)分裂。因此，從5P到5S的躍遷產(chǎn)生雙線，分別稱為D1和D2線，如圖B4-1所示，它們的波長(zhǎng)分別是794.76nm和780.

2、0nm。通過LS耦合形成了電子的總角動(dòng)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(zhì)量，e是電子電量。原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子數(shù)用I表示。核角動(dòng)量和核外電子的角動(dòng)量耦合成一個(gè)更大的角動(dòng)量，用符號(hào) 表示，其量子數(shù)用F表示，則 （B4-3） 與此角動(dòng)量相關(guān)的原子總磁矩為 （B4-4） 式中 （B4-5）是對(duì)應(yīng)于與關(guān)系的朗德因子。在有外靜磁場(chǎng)B的情況下，總磁矩將與外場(chǎng)相互作用，使原子產(chǎn)生附加的能量 （B4-6）其中稱為玻爾磁子，是在外場(chǎng)方向上分量的量子數(shù)，共有2F1個(gè)值。可以看到，原子在磁場(chǎng)中的附加能量E隨變化，原來(lái)對(duì)簡(jiǎn)并的能級(jí)發(fā)生分裂，

3、稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)，一個(gè)F能級(jí)分裂成2F1個(gè)子能級(jí)，相鄰的子能級(jí)的能量差 （B4-7）再來(lái)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(xì)分裂將不同。這里以87Rb為例，介紹超精細(xì)分裂的情況，可以對(duì)照理解85Rb的分裂。 圖B4-2 原子能級(jí)超精細(xì)分裂 原子在磁場(chǎng)中的超精細(xì)分裂情況如圖B4-2所示。由于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中已對(duì)銣光源進(jìn)行了濾光和變換，只讓D1+光（左旋圓偏振光）通過并照射到產(chǎn)生超精細(xì)分裂的銣原子蒸氣上，銣蒸氣將對(duì)D1+光產(chǎn)生吸收而發(fā)生能級(jí)間的躍遷。需要指出的是（1）從常溫對(duì)應(yīng)的能量kB

4、T來(lái)衡量，超精細(xì)分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根據(jù)玻爾茲曼分布 （B4-8）由52S1/2分裂出的8條子能級(jí)上的原子數(shù)應(yīng)接近均勻分布；同樣，由52P1/2分裂出的8條子能級(jí)上的原子數(shù)也接近均勻分布。（2）如果考慮到熱運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)，銣光源發(fā)出的D1+光實(shí)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(shí)也為銣蒸氣可能進(jìn)行的各種吸收提供了豐富的譜線。處于磁場(chǎng)環(huán)境中的銣原子對(duì)D1+光的吸收遵守如下的選擇定則 ； 根據(jù)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(duì)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(dāng)光連

5、續(xù)照著，躍遷5S5P5S5P這樣的過程就會(huì)持續(xù)下去。這樣，5S態(tài)中子能級(jí)上的原子數(shù)就會(huì)越積越多，而其余7個(gè)子能級(jí)上的原子數(shù)越來(lái)越少，相應(yīng)地，對(duì)D1+光的吸收越來(lái)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(jí)上，其余7個(gè)子能級(jí)上的原子數(shù)少到以至于沒有幾率吸收光，這時(shí)光強(qiáng)測(cè)量值不再發(fā)生變化。通過以上的分析可以得出這樣的結(jié)論：在沒有D1+光照射時(shí)，5S態(tài)上的8個(gè)子能級(jí)幾乎均勻分布著原子，而當(dāng)D1+光持續(xù)照著時(shí)，較低的7個(gè)子能級(jí)上的原子逐步被“抽運(yùn)”到MF=+2的子能級(jí)上，出現(xiàn)了“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象（偏極化）。在“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”后，如果在垂直于靜磁場(chǎng)B和垂直于光傳播方向上加一射頻振蕩的

6、磁場(chǎng)，并且調(diào)整射頻頻率，使之滿足 （B4-9）這時(shí)將出現(xiàn)“射頻受激輻射”，光吸收過程重又開始，光強(qiáng)測(cè)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(gè)子能級(jí)上，所以，用不了多久，5S態(tài)的8個(gè)子能級(jí)上全有了原子。由于此時(shí)MF=+2子能級(jí)上的原子不再能久留，所以，光躍遷不會(huì)造成新的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。在加入了周期性的“掃場(chǎng)”磁場(chǎng)以后，總磁場(chǎng)為Btotal=BDC+BS+ （B4-10）其中BDC是一個(gè)由通有穩(wěn)定的直流電流的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，方向在水平方向，是地球磁場(chǎng)的水平分量，這兩部分在實(shí)驗(yàn)中不變。BS 是周期性的“掃場(chǎng)”磁場(chǎng)，也是水平方向的。地球磁場(chǎng)的垂直分量被一對(duì)線圈的磁場(chǎng)所

7、抵消。當(dāng)光磁共振發(fā)生時(shí)，滿足量子條件 （B4-11）通過儀器上的換向開關(guān)將直流磁場(chǎng)的方向倒轉(zhuǎn)，此時(shí)可能觀察不到共振信號(hào)。調(diào)節(jié)射頻的頻率，又可以看到共振信號(hào)，并調(diào)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(chǎng)BDC可以通過讀出兩個(gè)并聯(lián)線圈的電流之和I來(lái)計(jì)算（亥姆霍茲線圈公式） （T） （B4-14）式中N和是兩個(gè)水平線圈的匝數(shù)和有效半徑，因?yàn)閮蓚€(gè)線圈是并聯(lián)的，數(shù)字表顯示的值是流過兩個(gè)線圈的電流之和。圖B4-7 光磁共振信號(hào)圖像以上介紹的是針對(duì)樣品只存在一種原子的情況，事實(shí)上，樣品中同時(shí)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(hào)，當(dāng)改變射頻信號(hào)頻率時(shí)二者是交替出現(xiàn)的。對(duì)每一種原子造成的共振信號(hào)都可以用上面介紹的方法測(cè)量其gF因子。要注意，gF因子的值不僅與原子有關(guān)，而且還與量子數(shù)F的值有關(guān)。不難看出，這里測(cè)量的是87Rb的5S態(tài)中F=2的gF因子，而對(duì)于85Rb來(lái)講，測(cè)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(hào)是哪一種原子引起的提供了依據(jù)。3利用光磁共振測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量在光磁共振實(shí)驗(yàn)中，還能測(cè)量到地球磁場(chǎng)的水平分量的值，這為光磁共振提供了另一個(gè)應(yīng)用。方法如下：在測(cè)量出gF因子之后，在（B4-11）式的基礎(chǔ)上，同

9、時(shí)將BDC和BS倒向，調(diào)節(jié)射頻信號(hào)頻率至3，出現(xiàn)如圖B4-8所示的信號(hào)，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(cè)量地磁場(chǎng)水平分量時(shí)光磁共振信號(hào)圖像四、實(shí)驗(yàn)儀器： DH807A型光磁共振試驗(yàn)儀四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：1、 觀察光抽運(yùn)信號(hào)按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行儀器的調(diào)節(jié)，通過指南針可以判斷，水平場(chǎng)按鈕按下去時(shí)水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量同向，彈出時(shí)水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量反向；掃場(chǎng)按鈕按下去時(shí)掃場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量反向，彈出時(shí)掃場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量同向。進(jìn)而調(diào)節(jié)掃場(chǎng)幅度，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度等高。2、 觀測(cè)光磁共振信號(hào)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(shù)項(xiàng)目名稱水平場(chǎng)掃場(chǎng)垂直場(chǎng)線圈每邊匝數(shù)N250250100線圈有效半徑r0.2406m0.2420m0.1530m ，N和為兩個(gè)水平線圈的匝數(shù)和有效半徑，為流過兩個(gè)線圈的電流之和得：a=gf*bh,可得gf=ahb;gf=0.500124由實(shí)驗(yàn)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(jù)

11、公式=ba得=1.726*10E-63誤差分析： 數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可能會(huì)造成誤差的因素有：外界磁場(chǎng)的影響，儀器并未充分預(yù)熱測(cè)量時(shí)電流并不準(zhǔn)確精確度不夠外界光源通過遮光的布空隙透進(jìn)等五：習(xí)題一、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)：1.導(dǎo)軌上各個(gè)元件的作用 天然銣和惰性氣體在小泡內(nèi)，兩側(cè)放置射頻線圈提供射頻磁場(chǎng)。中間位恒溫槽，稱為吸收池。槽內(nèi)溫度55度。垂直磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)用來(lái)抵消地磁場(chǎng)的垂直分量。水平磁場(chǎng)線圈兩個(gè)繞組，一組為水平直流磁場(chǎng)線圈，使銣原子的超精細(xì)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂。另一組為掃場(chǎng)線圈，使直流磁場(chǎng)疊加一個(gè)調(diào)制磁場(chǎng)。銣光譜燈作為抽運(yùn)光源。準(zhǔn)直透鏡使光平行過小泡。會(huì)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(chǎng)的作用是 用射頻電磁場(chǎng)作用使之發(fā)生磁共振，用光探測(cè)原子對(duì)入射光的吸收，從而獲得光泵磁共振信號(hào)。3.為什么要將D1線轉(zhuǎn)變成左旋圓偏振光 因?yàn)榉至训娜芗?jí)間的能量差很小，可以認(rèn)為原子在塞曼能級(jí)上是的分裂是均勻的所以光磁共振要用銣光譜燈產(chǎn)生