光磁共振近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告2實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：光磁共振指導(dǎo)教師：劉洋 專(zhuān)業(yè)：物理班級(jí)：求是物理班1401姓名：朱勁翔學(xué)號(hào)：3140105747實(shí)驗(yàn)日期：2016.11.23實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1加深對(duì)超精細(xì)結(jié)構(gòu)原子核自旋，原子核磁矩，光躍遷，磁共振的理解。 2掌握以光抽運(yùn)為基礎(chǔ)的光檢測(cè)磁共振方法。 3測(cè)定銣()原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)的朗德因子和地磁場(chǎng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)原理：1 銣原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)能級(jí)的塞曼分裂天然銣含量大的同位素有兩種：占72.15%,占27.85%。銣?zhǔn)且粌r(jià)堿金屬原子（原子序數(shù)為37），基態(tài)是，即電子的軌道量子數(shù)，自旋量子數(shù)。軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量耦合成總的角動(dòng)量。由于是耦合，··

2、·, 。銣的基態(tài)。銣原子的最低光激發(fā)態(tài)是及雙重態(tài)，它們是耦合產(chǎn)生的雙重結(jié)構(gòu)，軌道量子數(shù)L=1，自旋量子數(shù) S=1/2。態(tài)J=1/2；態(tài)J=3/2。在5P與5S能級(jí)之間產(chǎn)生的躍遷是銣原子主線(xiàn)系的第一條線(xiàn)，為雙線(xiàn)，在銣燈的光譜中強(qiáng)度特別強(qiáng)，到躍遷產(chǎn)生的譜線(xiàn)為線(xiàn)，波長(zhǎng)為，到的躍遷產(chǎn)生的譜線(xiàn)為線(xiàn)，波長(zhǎng)是。原子物理學(xué)中已給出核自旋I=0時(shí)，原子的價(jià)電子LS耦合后總角動(dòng)量與原子總磁矩的關(guān)系：(4-1)(4-2)其中式中為銣原子精細(xì)結(jié)構(gòu)朗德因子。 當(dāng)I0時(shí)，的I=3/2，的I=5/2。設(shè)核自旋角動(dòng)量為，核磁矩為，與耦合成，有。耦合后的總量子數(shù)F=I+J，··· ，I-

3、J。的基態(tài)F有兩個(gè)值F=2及F=1；的基態(tài)F有兩個(gè)值F=3及F=2。由F量子數(shù)表征的能級(jí)稱(chēng)為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)，這是由于核磁矩與電子自旋，軌道磁矩的相互作用，使能級(jí)發(fā)生分裂而形成的。原子總角動(dòng)量與總磁矩之間關(guān)系：(4-3)(4-4)其中式中為銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的朗德因子。在磁場(chǎng)中原子的超精細(xì)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂(弱磁場(chǎng)時(shí)為反常塞曼效應(yīng))，磁量子數(shù)=F，(F-1)，(-F)，即分裂成2F+1個(gè)能量間距基本相等的塞曼子能級(jí)，如圖4- 1所示。原子各能級(jí)能量可由薛定諤方程確定的能量本征值給出。在弱磁場(chǎng)中銣原子的能量算符是：(4-5)式中為只考慮了耦合作用的哈密頓量，為微擾項(xiàng)，它包括I與J耦合作用能及弱磁場(chǎng)對(duì)總

4、磁矩的作用能。當(dāng)取的方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的Z方向時(shí)，由量子理論導(dǎo)出式(4-5)各能級(jí)的能量本征值為：(4-6)玻爾磁子，為普朗克常數(shù)，為磁偶極相互作用常數(shù)，在中忽略了四極矩及更高極矩的作用能。圖（4-1 ）銣原子能級(jí)示意圖當(dāng)外場(chǎng)=0時(shí)，則塞曼子能級(jí)簡(jiǎn)并為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)，其基態(tài)(J=1/2,L=0)的兩個(gè)(即和)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的能量差為：(4-7)的態(tài)的=3417.342MHZ, =2, =1，則=2·=6834.684MHZ·。的態(tài)的=1011.911MHZ, =3, =2, 則=3035.733MHZ·。 當(dāng)外磁場(chǎng)0（即弱磁場(chǎng)中）時(shí)，相鄰的塞曼子能級(jí)之間(=

5、7;1)的能量差可由式(4-6)得：(4-8)2 圓偏振對(duì)銣原子的激發(fā)與光抽運(yùn)效應(yīng)在熱平衡狀態(tài)下，各能級(jí)的粒子數(shù)遵守玻耳茲曼分布，其分布規(guī)律為(4-9) 由于超精細(xì)塞曼子能級(jí)間的能量差很小，可近似地認(rèn)為這些子能級(jí)上的粒子數(shù)是相等的，這樣很不利于觀測(cè)這些子能級(jí)之間的磁共振現(xiàn)象。為此，卡斯特勒提出光抽運(yùn)方法，即用圓偏振光激發(fā)原子，造成能級(jí)原子數(shù)分布偏離熱平衡下的玻耳茲曼分布，即使原子能級(jí)的粒子數(shù)分布產(chǎn)生重大改變，使粒子數(shù)在某一能級(jí)偏極化。 光波中磁場(chǎng)對(duì)電子的作用遠(yuǎn)小于電場(chǎng)對(duì)電子的的作用，當(dāng)一定頻率為的入射光是圓偏振光(如)時(shí)，起作用的電場(chǎng)部分，根據(jù)光躍遷的選擇定則，當(dāng)入射光為左旋圓偏振時(shí)，選擇定則

6、為:=±1;=±1,0;= ±1(4-10)圖（4-2）(a)基態(tài)粒子吸收的受激躍遷，=+2的粒子躍遷概率為零(b)激發(fā)態(tài)粒子通過(guò)自發(fā)輻射退激回到基態(tài)各子能級(jí)當(dāng)入射光為(的角動(dòng)量為+h)時(shí)，只能產(chǎn)生=+1的躍遷，故光只能把基態(tài)中除=+2以外各子能級(jí)上的原子激發(fā)到的相應(yīng)子能級(jí)上，如圖4- 2(a)所示。當(dāng)原子經(jīng)歷無(wú)輻射躍遷過(guò)程從回到時(shí)，則粒子返回基態(tài)各子能級(jí)的概率相等。如圖4- 2(b)所示,這樣經(jīng)過(guò)若干循環(huán)之后，基態(tài)=+2能級(jí)上粒子數(shù)就會(huì)大大增加，即大量粒子被“抽運(yùn)”到基態(tài)的=+2的子能級(jí)上，這就是光抽運(yùn)效應(yīng)。同理，用光照射，將大量粒子“抽運(yùn)”到基態(tài)的=-2的子能

7、級(jí)上。和對(duì)光抽運(yùn)有反作用，因此當(dāng)入射光為線(xiàn)偏振光(例如光，由等量和的混合)時(shí)，銣原子對(duì)光有強(qiáng)烈的吸收，但無(wú)光抽運(yùn)效應(yīng)。當(dāng)入射光為橢園偏振光(不等量和的混合)時(shí)，光抽運(yùn)效應(yīng)較園偏振光??；同理，對(duì)于銣若用光照射，粒子將會(huì)“抽運(yùn)”到=+3的子能級(jí)上。3 弛豫過(guò)程我們把系統(tǒng)由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為弛豫過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了保持原子分布有較大的偏極化程度，根據(jù)產(chǎn)生弛豫過(guò)程原因來(lái)抑制弛豫過(guò)程。一般來(lái)講，弛豫的微觀過(guò)程很復(fù)雜，主要是原子之間和原子與其他物質(zhì)之間的相互作用。實(shí)驗(yàn)裝置上采用了下列辦法：1在銣Rb吸收泡內(nèi)充有1333Pa的緩沖氮?dú)?，它的密度比銣蒸氣原子的密度?個(gè)數(shù)量級(jí)，

8、可以減弱與容器壁以及與其他的原子的碰撞機(jī)率，有利于加快粒子的抽運(yùn)過(guò)程。2對(duì)銣樣品泡選擇最佳的溫度控制在40-60之間。因?yàn)闇囟忍?，氣態(tài)銣原子密度增大，會(huì)增加與容器壁以及與其他的原子的碰撞機(jī)率，但如果溫度太低，銣蒸氣原子數(shù)會(huì)不足，引起信號(hào)幅度變小，因?yàn)榈娜茳c(diǎn)為38.89。圖4-3 磁矩的拉摩進(jìn)動(dòng)3.在一般情況下，光抽運(yùn)造成塞曼子能級(jí)之間的粒子差數(shù)，比玻爾茲曼分布造成的塞曼子能級(jí)之間的粒子差數(shù)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但為了觀察抽運(yùn)信號(hào)，我們要把弛豫過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)，就是使外磁場(chǎng)過(guò)零時(shí)，塞曼子能級(jí)簡(jiǎn)并，這樣使原子系統(tǒng)的偏極化減弱。4 塞曼子能級(jí)之間的磁共振和光檢測(cè)原子具有總角動(dòng)量及總磁矩，在外磁場(chǎng)的作用下，將發(fā)

9、生量子取向，能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，另一方面也可看成各種取向的將繞作不同錐角的拉摩進(jìn)動(dòng)，如圖（4-3）所示，拉摩進(jìn)動(dòng)的頻率為，如果在垂直于恒定磁場(chǎng)的方向加一個(gè)頻率為的射頻場(chǎng)，此射頻場(chǎng)可分解為一個(gè)左旋圓偏振磁場(chǎng)與一個(gè)右旋圓偏振磁場(chǎng)，當(dāng)滿(mǎn)足共振條件：=(4-11)塞曼子能級(jí)之間將產(chǎn)生磁共振。磁共振時(shí)，被抽運(yùn)到(對(duì)于)子能級(jí)上的大量粒子，由于射頻場(chǎng)的作用而發(fā)生感應(yīng)躍遷，選擇定則為= ±1，即由躍遷到=+1(當(dāng)然也有=+1 ，=0)，同時(shí)由于抽運(yùn)光的存在，處于基態(tài)非子能級(jí)上的粒子又將被抽運(yùn)到=+2子能級(jí)上。感應(yīng)躍遷與光抽運(yùn)將達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡。在產(chǎn)生磁共振時(shí)，+2各子能級(jí)上的粒子數(shù)大于不共振時(shí)，

10、因此對(duì)光的吸收增大。圖4-4顯示磁共振過(guò)程塞曼子能級(jí)粒子的變化。圖4-4 磁共振過(guò)程塞曼能級(jí)粒子數(shù)的變化(a)未發(fā)生磁共振時(shí)，=+2能級(jí)上的粒子數(shù)多(b) 發(fā)生磁共振時(shí)，=+2能級(jí)上的粒子數(shù)減少光吸收增加塞曼子能級(jí)間的磁共振信號(hào)是很弱的，但光磁共振觀測(cè)中巧妙地采用了光檢測(cè)技術(shù)。射到樣品上的光一方面起光抽運(yùn)作用，另一方面透過(guò)樣品的光兼作探測(cè)光。探測(cè)樣品的透射光在發(fā)生磁共振時(shí)的光強(qiáng)的變化，這相當(dāng)于將一個(gè)頻率低的射頻光子（其能量為，約0.1MHz至10MHz）的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)頻率高的光頻光子（MHz，即對(duì)光吸收）的變化，這使信號(hào)功率提高了78個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使檢測(cè)靈敏度大為提高。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1 準(zhǔn)

11、備工作在裝置加電之前，先進(jìn)行調(diào)整(已調(diào)好)主體單元光路的機(jī)械調(diào)整。再借助指南針將光具座與地磁場(chǎng)水平分量平行擱置。檢查各連線(xiàn)是否正確(已調(diào)試及檢查過(guò))。將“垂直場(chǎng)”“水平場(chǎng)”“掃場(chǎng)幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開(kāi)關(guān)。然后接通電源線(xiàn)，按下電源開(kāi)關(guān)。約30分鐘后，燈溫池指示燈點(diǎn)亮，實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。2 觀測(cè)光抽運(yùn)信號(hào)將指南針置于吸收池上邊，分別判斷出掃場(chǎng)方向和水平場(chǎng)方向，并記錄下來(lái)。掃場(chǎng)方式選擇“方波”，接著設(shè)置掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量方向相反（為什么？），水平場(chǎng)取零（儀器本身有一點(diǎn)值），取去指南針后用黑布遮蓋主體單元，避免光電檢測(cè)器接收到其它雜散光，影響信號(hào)幅度及線(xiàn)型。預(yù)置垂直場(chǎng)電流為0.060

12、A左右，用來(lái)抵消地磁場(chǎng)垂直分量，正確選取方向，即與地磁場(chǎng)垂直分量相反，可觀察到光抽運(yùn)信號(hào)。再多次調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏振片的方向、掃場(chǎng)幅度、垂直場(chǎng)大小，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度最佳。掃場(chǎng)波形如圖4-8及光抽運(yùn)信號(hào)如圖4- 9所示。 （a）方波 (b) 三角波圖4- 8 掃場(chǎng)波形 圖4- 9 光抽運(yùn)信號(hào)3 觀測(cè)光磁共振信號(hào)在獲得最佳的光抽運(yùn)信號(hào)的基礎(chǔ)上，改用三角波(鋸齒波或正弦波)作掃場(chǎng)，開(kāi)啟射頻信號(hào)源，對(duì)Rb吸收泡施加射頻磁場(chǎng)，用水平磁場(chǎng)線(xiàn)圈產(chǎn)生一定水平磁場(chǎng)(地磁場(chǎng)垂直分量已抵消)，連續(xù)調(diào)節(jié)射頻率信號(hào)源的頻率，即可在示波器上獲得共振信號(hào)，其滿(mǎn)足(4-11)，可寫(xiě)為：(4-12)這里為水平磁場(chǎng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的水平磁場(chǎng)，地

13、磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)的矢量和的數(shù)值。為射頻信號(hào)的頻率，在、三個(gè)量中，已知兩個(gè)量，即可求出第三個(gè)量，為銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的朗德因子，在弱磁場(chǎng)中，其與一一對(duì)應(yīng)，加入掃描磁場(chǎng)是為了便于觀測(cè)，在這里是直流水平調(diào)制磁場(chǎng)，不是正負(fù)交變的磁場(chǎng)。4 測(cè)量銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的朗德因子首先學(xué)會(huì)觀察測(cè)和的光泵磁共振信號(hào)。由理論計(jì)算可知，共振頻率與磁場(chǎng)的關(guān)系：(4-13)：(4-14)式中磁場(chǎng)的單位為T(mén)，頻率的單位為Hz,由上兩式可見(jiàn)，由于和的不同，對(duì)于同一磁場(chǎng)兩種同位素的共振頻率是不同的，反過(guò)來(lái)，對(duì)同一頻率值，它們的共振磁場(chǎng)也是不同的，在實(shí)驗(yàn)中，如何判斷和的光泵磁共振信號(hào)？計(jì)算和的因子的理論值，并與下列實(shí)驗(yàn)中測(cè)得實(shí)驗(yàn)值比

14、較。測(cè)量因子選用下列方法之一：方法一：用最小二乘法求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合直線(xiàn)。 垂直磁場(chǎng)的大小，偏振片的位置保持在獲得最大的光抽運(yùn)信號(hào)的基礎(chǔ)上，選擇三角波(或鋸齒波、正弦波)作掃場(chǎng)，將掃場(chǎng)的方向，水平磁場(chǎng)的方向與地磁場(chǎng)水平分量的方向相同(用指南針判斷)，這樣可保證有外磁場(chǎng)作用，且避開(kāi)光抽運(yùn)信號(hào)在測(cè)量范圍內(nèi)與磁共振信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，以免增加觀測(cè)難度。對(duì)同一方向的不同大小的水平磁場(chǎng)，測(cè)出其相應(yīng)的共振頻率即可。在(4-12)式中與(+)之間成線(xiàn)性關(guān)系，由直線(xiàn)的斜率可計(jì)算出值，但應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)過(guò)程要選擇掃場(chǎng)的同一點(diǎn)(最好選在峰點(diǎn)或谷點(diǎn))作參考點(diǎn)，以確保實(shí)驗(yàn)的精確度。選擇參考點(diǎn)在峰點(diǎn)或谷點(diǎn)，其擬合直線(xiàn)的斜率不變，只是

15、直線(xiàn)的截距不同。地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)只影響直線(xiàn)的截距，即使還存在雜散的磁場(chǎng)，也只是影響擬合直線(xiàn)的截距，對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響。方法二：采用“換向”方法進(jìn)行測(cè)量。由(4-12)式可知，引起塞曼能級(jí)分裂的磁場(chǎng)是水平方向的總磁場(chǎng)(地磁場(chǎng)的垂直分量已抵消)，而其中、以及可能存在的雜散磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)難于測(cè)定的，采用“換向”方法進(jìn)行測(cè)量可以確保實(shí)驗(yàn)的精確度。當(dāng)水平磁場(chǎng)的方向、掃場(chǎng)的方向與地磁場(chǎng)水平分量的方向相同時(shí)，水平磁場(chǎng)電流為，最好選擇掃場(chǎng)的峰點(diǎn)(或谷點(diǎn))作參考點(diǎn)，調(diào)節(jié)射頻信號(hào)發(fā)生器頻率，可觀察到共振信號(hào)，對(duì)應(yīng)圖4-10(a)所示波形，對(duì)應(yīng)水平磁場(chǎng)電流的射頻頻率，這時(shí)其滿(mǎn)足共振條件：(4-15)(a) 、和方向

16、相同時(shí)的共振信號(hào)(b) 與相反時(shí)，且+的的共振信號(hào)(c) 與相反時(shí)，且+的共振信號(hào)圖4- 10 當(dāng)改變水平磁場(chǎng)的方向與地磁場(chǎng)水平分量的方向、掃場(chǎng)的方向相反，仍用上述方法，可觀察到共振信號(hào)，其對(duì)應(yīng)圖4-10(b)或圖4-10(c) 波形可得到，這時(shí)其滿(mǎn)足共振條件：(4-16)當(dāng)<+時(shí)，有(4-17)當(dāng)>+時(shí)，有(4-18)由式(4-15)、(4-17)、(4-18)式得：(4-19)一般屬于取“+ ”號(hào)的情況，但不排除出現(xiàn)取“-”號(hào)的情況，這與做實(shí)驗(yàn)時(shí)選取水平磁場(chǎng)電流(即)，掃場(chǎng)的幅度大小及參考點(diǎn)有關(guān)。最好取較大些時(shí)，確保取“+”。根據(jù)電流及亥姆霍茲線(xiàn)圈的參數(shù)來(lái)確定中心磁場(chǎng)：(4-2

17、0)其中： 每組線(xiàn)圈匝數(shù)線(xiàn)圈有效半徑，單位：流過(guò)線(xiàn)圈的電流，單位：磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：注：1.兩個(gè)水平磁場(chǎng)線(xiàn)圈是并聯(lián)的，數(shù)字表顯示的電流是流過(guò)兩線(xiàn)圈電流之和。2.兩個(gè)垂直磁場(chǎng)線(xiàn)圈是串聯(lián)的，數(shù)字表顯示的電流是流過(guò)單個(gè)線(xiàn)圈的電流。值得注意的是當(dāng)水平磁場(chǎng)反向時(shí)，總磁場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)反向過(guò)零，有光抽運(yùn)信號(hào)，這樣會(huì)與磁共振信號(hào)混淆，為了避免判斷錯(cuò)誤，最好避開(kāi)。選取沒(méi)有光抽運(yùn)信號(hào)的水平磁場(chǎng)電流值。其區(qū)分光抽運(yùn)信號(hào)和磁共振信號(hào)的方法是斷開(kāi)射頻場(chǎng)時(shí)，仍然存在的信號(hào)是光抽運(yùn)信號(hào)，否則是磁共振信號(hào)。選取幾個(gè)（3個(gè)以上）水平磁場(chǎng)的電流值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)量和，分別求出他們的平均值和。實(shí)驗(yàn)器材及注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)

18、系統(tǒng)由主體單元、電源、輔助源、射頻信號(hào)發(fā)生器及示波器五部分組成，如圖4- 5所示。主體單元：是該實(shí)驗(yàn)裝置的核心，如圖4-6所示，其主要由銣光譜燈、準(zhǔn)直透鏡、吸收池、聚光鏡、光電探測(cè)器及亥姆霍茲線(xiàn)圈組成。圖4-7是主體單元示意圖。銣樣品泡：天然銣和惰性緩沖氣體被充在一個(gè)直徑約為52mm的玻璃泡內(nèi)。該銣泡兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置著一對(duì)小射頻線(xiàn)圈，它為銣原子躍遷提供射頻磁場(chǎng)。這個(gè)銣樣品泡銣樣品泡和射頻磁場(chǎng)都置于園柱形恒溫槽內(nèi)，稱(chēng)為“吸收池”。槽內(nèi)溫度約在55左右(當(dāng)池溫在4045之間，信號(hào)有最大值；當(dāng)池溫在5055之間，信號(hào)有最大值)。吸收池放置在兩對(duì)亥姆霍茲線(xiàn)圈的中心。小的一對(duì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)用來(lái)抵消地磁場(chǎng)的垂

19、直分量。大的一對(duì)線(xiàn)圈有兩個(gè)繞組，一組為水平直流磁場(chǎng)線(xiàn)圈，它使銣原子的超精細(xì)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂。另一組為掃場(chǎng)線(xiàn)圈，它使直流磁場(chǎng)上疊加一個(gè)調(diào)制磁場(chǎng)。銣光譜燈作為抽運(yùn)光源。光路上有兩個(gè)透鏡，一個(gè)為準(zhǔn)直透鏡，一個(gè)為聚光透鏡，兩透鏡焦距為77mm，它們使銣燈發(fā)出的光平行通過(guò)吸收泡，然后再匯聚到光電池上。干涉濾光鏡(裝在銣光譜燈的口上)從銣光譜中選出光。偏振片和1/4波片(和準(zhǔn)直透鏡裝在一起)使光成為左旋園偏振光。此左旋園偏振光對(duì)基態(tài)超精細(xì)塞曼能級(jí)有不同的躍遷幾率，可以在這些能級(jí)間造成較大的粒子數(shù)偏差。當(dāng)加上某一頻率的射頻磁場(chǎng)時(shí)，將產(chǎn)生“光磁雙共振”。在共振區(qū)的光強(qiáng)由于銣原子的吸收而減弱。通過(guò)調(diào)場(chǎng)法，可以從

20、終端的光電探測(cè)器上得到這個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大可以從示波器上顯示出來(lái)。圖4-5 光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置方框圖(1)滑軌 (2)銣光譜燈 (3)準(zhǔn)直透鏡(偏振片、1/4波片) (4)吸收池(5)垂直線(xiàn)圈 (6)水平線(xiàn)圈 (7)聚光鏡 (8)光電探測(cè)器 (9)地腳 (10)滑塊圖4-6 主體單元銣光譜燈：是一種高頻氣體放電燈，它由高頻振蕩器、控溫裝置和銣燈泡組成。銣燈泡放置在高頻振蕩回路的電感線(xiàn)圈中，在高頻電磁場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生無(wú)極放電而發(fā)光。整個(gè)振蕩器連同銣燈泡放在同一恒溫槽內(nèi)，溫度控制在90左右。高頻振蕩器頻率約為65MHZ。光電探測(cè)器：用來(lái)接收透射光強(qiáng)變化，并把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接收部分采用硅光電池，其放大

21、器倍數(shù)大于100。在精確測(cè)量時(shí)，為避免吸收池加熱絲產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，可短時(shí)間斷掉池溫電源。電源：電源為主體單元提供三組直流電源，第路是01A可調(diào)穩(wěn)流電源，為水平磁場(chǎng)提供電流，第路是00.5A可調(diào)穩(wěn)流電源，為垂直磁場(chǎng)提供電流。第路是24V/2A穩(wěn)壓電源，為控溫電路，掃場(chǎng)提供工作電壓。電源有兩個(gè)數(shù)字表頭，分別指示水平場(chǎng)，垂直場(chǎng)的電流大小。有電源開(kāi)關(guān)及水平磁場(chǎng)調(diào)節(jié)與垂直磁場(chǎng)調(diào)節(jié)的電位器旋鈕。其前、后面版見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。圖4- 7 主體單元示意圖輔助源：輔助源為主題單元提供三角波、方波掃場(chǎng)信號(hào)及溫度控制電路等。并設(shè)“外接掃描”插座，可接SBR-1型示波器的掃描輸出，將其鋸齒掃描經(jīng)電阻分壓及電流

22、放大，作為掃場(chǎng)信號(hào)，輔助源與主體單元由24線(xiàn)電纜連接。輔助源上設(shè)有水平場(chǎng)、垂直場(chǎng)和掃場(chǎng)的方向控制開(kāi)關(guān)。銣光譜燈和吸收池的控溫指示，有方波、三角波選擇開(kāi)關(guān)，掃場(chǎng)幅度調(diào)節(jié)器。如果要用示波器的鋸齒掃描場(chǎng)調(diào)制，則可用Q9電纜將示波器的“掃描輸出”聯(lián)接至輔助源后面版的“外接掃描”。并把掃描開(kāi)關(guān)置于“外”位置。“內(nèi)、外”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在后面版上。其前、后面版見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。射頻信號(hào)發(fā)生器：本實(shí)驗(yàn)裝置中的射頻信號(hào)發(fā)生器使用頻率范圍為10KHz3MHz頻段，頻率可調(diào)，輸出功率在50W負(fù)載上不小于0.5W，并且輸出幅度可調(diào)節(jié)。示波器：采用的示波器是一種雙通道示波器，用來(lái)觀看掃描磁場(chǎng)及光電探測(cè)器接收的透射光強(qiáng)的變化。2.注意

23、事項(xiàng)1. 垂直場(chǎng)應(yīng)該調(diào)節(jié)到抵消地磁分量2. 來(lái)回調(diào)動(dòng)掃場(chǎng)與水平長(zhǎng)電流判斷磁場(chǎng)方向3. 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該用黑布蓋住裝置，防止外界雜散光的影響數(shù)據(jù)處理處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果由最小二乘法得到對(duì)于銣85 對(duì)于銣87 誤差分析：1、外界雜散光對(duì)示波器圖樣的影響2、實(shí)驗(yàn)者對(duì)共振圖樣判斷不準(zhǔn)3、頻率不斷波動(dòng)使讀數(shù)不準(zhǔn)4、儀器老化使測(cè)量誤差變大思考題與解答：(1) 何謂光磁共振?它研究的對(duì)象是什么? 答:通過(guò)圓偏振光作用使原子躍遷,然后原子又會(huì)向下躍遷發(fā)出光子,由于選擇定則,反復(fù)這個(gè)過(guò)程就會(huì)使粒子數(shù)偏極化,不再服從玻耳茲曼分布.而這時(shí)若加一個(gè)射頻場(chǎng)使其發(fā)

24、生磁共振,則會(huì)減弱這種偏極化,與光抽運(yùn)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,增加對(duì)圓偏振光的吸收,即發(fā)生光磁共振.  (2) 何謂光抽運(yùn)?光抽運(yùn)的目的是什么? 答:通過(guò)圓偏振光作用使原子躍遷,然后原子又會(huì)向下躍遷發(fā)出光子,由于選擇定則,反復(fù)這個(gè)過(guò)程就會(huì)使粒子數(shù)偏極化,不再服從玻耳茲曼分布,這個(gè)過(guò)程就是光抽運(yùn),目的就是是粒子數(shù)在某一能級(jí)上出現(xiàn)偏極化.  (3) 怎樣實(shí)現(xiàn)塞曼子能級(jí)間的磁共振?答:在垂直于恒定磁場(chǎng)'0Br的方向加一個(gè)頻率為1n的射頻場(chǎng)1Br，此射頻場(chǎng)可分解為一個(gè)左旋圓偏振磁場(chǎng)與一個(gè)右旋圓偏振磁場(chǎng)，當(dāng)1n滿(mǎn)足共振條件：1n=hBg

25、BFL/'0mn=時(shí)就能發(fā)生塞曼子能級(jí)之間的磁共振  (4) 描述光磁共振的實(shí)驗(yàn)裝置,指出各個(gè)部件所起的作用是什么? 答: 銣樣品泡：天然銣和惰性緩沖氣體被充在一個(gè)直徑約為52mm的玻璃泡內(nèi)。 銣光譜燈：是一種高頻氣體放電燈，它由高頻振蕩器、控溫裝置和銣燈泡組成。 光電探測(cè)器：用來(lái)接收透射光強(qiáng)變化，并把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接收部分采用硅光電池，其放大器倍數(shù)大于100。 電源：電源為主體單元提供三組直流電源，第路是01A可調(diào)穩(wěn)流電源，為水平磁場(chǎng)提供電流，第路是00.5A可調(diào)穩(wěn)流電源，為垂直磁場(chǎng)提供電流。第路是24V/2A穩(wěn)壓電源，為控溫電路，掃場(chǎng)提供工作電壓。 輔助源：輔助源為主題單元提供三角波、方波掃場(chǎng)信號(hào)及溫度控制電路等。 射頻信號(hào)發(fā)生器：本實(shí)驗(yàn)裝置中的射頻信號(hào)發(fā)生器使用頻率范圍為10KHz3MHz頻段，頻率可調(diào)，輸出功率在50W負(fù)載上不小于0.5W，并且輸出幅度可調(diào)節(jié)。 示波器：采用的示波器是一種雙通道示波器，用來(lái)觀看掃描磁場(chǎng)及光電探測(cè)器接收的透射光強(qiáng)的變化。