光泵磁共振試驗(yàn)電子科學(xué)與技術(shù)A14陳曦073整理00077課件

光泵磁共振實(shí)驗(yàn)電子科學(xué)與技術(shù)A14：陳曦

073003000772009-12-301陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告光泵磁共振實(shí)驗(yàn)電子科學(xué)與技術(shù)A14：陳曦

073003000實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤獬檫\(yùn)的原理，掌握光泵磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并測(cè)量汽態(tài)銣（Rb）原子的g因子。2009-12-302陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤獬檫\(yùn)的原理，掌握光泵磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并測(cè)量汽態(tài)銣原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼分裂原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)是由原子的核磁矩與電子磁矩互作用產(chǎn)生的，當(dāng)原子處于弱磁場(chǎng)B中時(shí)，原子的總磁矩與磁場(chǎng)相互作用使能級(jí)進(jìn)一步分裂形成等間距的塞曼子能級(jí)。各能級(jí)能量差為到的躍遷產(chǎn)生波長為7948?的D1線，到的躍遷產(chǎn)生7800?的D2線。實(shí)驗(yàn)原理2009-12-303陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告銣原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼分裂原子能級(jí)銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009-12-304陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009在磁場(chǎng)中，原子在各子能級(jí)上的數(shù)目按玻耳茲曼分布，當(dāng)用左旋圓偏振光照射氣態(tài)銣原子時(shí)，根據(jù)光躍遷選擇定則光抽運(yùn)效應(yīng)及偏極化的保持

87Rb的52S1/2態(tài)塞曼子能級(jí)上經(jīng)過多次激發(fā)和自發(fā)輻射后，大量原子被抽運(yùn)到基態(tài)F=2mF=+2的子能級(jí)上，形成原子在各能級(jí)間的非平衡分布稱為偏極化。2009-12-305陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告在磁場(chǎng)中，原子在各子能級(jí)上的數(shù)目按玻耳茲曼分布，當(dāng)用左旋圓偏類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居在F=2子能級(jí)上，對(duì)85Rb，則抽運(yùn)到mF=+3的子能級(jí)上。有了偏極化就可以得到較強(qiáng)的磁共振信號(hào)。2009-12-306陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居對(duì)于87Rb，因光抽運(yùn)，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，mF=+2能級(jí)上，偏極化達(dá)到飽和。這時(shí)在垂直于B的平面內(nèi)施加一個(gè)頻率為ν的射頻場(chǎng)B1，當(dāng)滿足磁共振條件塞曼子能級(jí)間的磁共振和光探測(cè)時(shí),在塞曼子能級(jí)間產(chǎn)生感應(yīng)躍遷，稱為磁共振。磁共振消除了原子分布的偏極化，由于光連續(xù)照射，存在光抽運(yùn)，原子又被抽運(yùn)到mF=+2子能級(jí)上，因而躍遷與抽運(yùn)達(dá)到一個(gè)新平衡。2009-12-307陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告對(duì)于87Rb，因光抽運(yùn)，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故光抽運(yùn)與磁共振躍的過程就可以連續(xù)地進(jìn)行下去。通過測(cè)量光強(qiáng)的變化，即可得到磁共振信號(hào)。儀器的巧妙之處就是將一個(gè)低頻射頻光子（1～10MHZ）轉(zhuǎn)換成高頻光頻光子（108MHZ），從而使信號(hào)功率提高了7～8個(gè)數(shù)量級(jí)。2009-12-308陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故光抽運(yùn)與磁實(shí)驗(yàn)裝置2009-12-309陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告實(shí)驗(yàn)裝置2009-12-309陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告TektronixTDS1002雙蹤數(shù)字示波器愛使AS3343頻率計(jì)數(shù)器新建XJ1630信號(hào)發(fā)生器DH807型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置2009-12-3010陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告TektronixTDS1002雙蹤數(shù)字示波器20實(shí)驗(yàn)過程1.磁場(chǎng)測(cè)量亥姆霍茲線圈中電流I(A)電阻R(Ω)半徑r(m)匝數(shù)N2009-12-3011陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告實(shí)驗(yàn)過程1.磁場(chǎng)測(cè)量2009-12-3011陳曦近代物理實(shí)2.光抽運(yùn)信號(hào)的觀察掃場(chǎng)選擇為方波，選擇掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量方向相反。2009-12-3012陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告2.光抽運(yùn)信號(hào)的觀察2009-12-3012陳曦近代物理實(shí)3.磁共振信號(hào)的觀察利用三角波掃場(chǎng)，本實(shí)驗(yàn)用掃場(chǎng)法即固定v改變B，來觀察和測(cè)量磁共振信號(hào)，通過改變?nèi)遣ǚ较?，找出并區(qū)分對(duì)應(yīng)于87Rb和85Rb的共振信號(hào)。注意區(qū)分共振信號(hào)與光抽運(yùn)信號(hào)，這里注意B由三部分組成，即水平線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B0、掃場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B掃和地磁場(chǎng)水平方向的磁場(chǎng)B//組成。每當(dāng)磁場(chǎng)B值與射頻頻率ν滿足共振條件時(shí)，銣原子分布的偏極化被破壞，產(chǎn)生新的抽運(yùn)。2009-12-3013陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告3.磁共振信號(hào)的觀察利用三角波掃場(chǎng)，本實(shí)驗(yàn)用掃場(chǎng)法即2009-12-3014陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告2009-12-3014陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告4.測(cè)量gF因子用三角波掃場(chǎng)。固定磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)ν，測(cè)出共振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率ν1，改變水平磁場(chǎng)方向，重復(fù)上述步驟，測(cè)出ν2則注意：同一B下，存在兩個(gè)v產(chǎn)生共振信號(hào)，頻率高的對(duì)應(yīng)于87Rb，低的對(duì)應(yīng)于85Rb。2009-12-3015陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告4.測(cè)量gF因子用三角波掃場(chǎng)。固定磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)ν，測(cè)出gFI/A85Rb87Rb0.250.3380.3390.5070.5070.350.3380.3410.5090.5100.450.3390.3390.5090.50985Rb平均gF=0.339相對(duì)誤差1.7%87Rb平均gF=0.509相對(duì)誤差1.8%2009-12-3016陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告gF85Rb平均gF=0.3395.測(cè)量共振線寬固定磁場(chǎng)，改變射頻頻率v，使共振信號(hào)平移Δx。如果對(duì)應(yīng)的頻率改變量為Δν，半寬高為d，則線寬為：2009-12-3017陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告5.測(cè)量共振線寬固定磁場(chǎng)，改變射頻頻率v，使共振信號(hào)平Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.124MHzΔx=24.0msh=70mVd=6.8ms=35.13KHz2009-12-3018陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.1246.測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量先使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量方向相同，調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)頻率，待共振后，讀得ν1，再同時(shí)使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)反向，待共振后讀得ν2，則地磁場(chǎng)大小地磁場(chǎng)方向tanα=B垂直/B//2009-12-3019陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告6.測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量先使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地=3.184×10-5Ttanα=0.806α=38.87°2009-12-3020陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地在中國的大部分地區(qū)，地磁偏角在-10°～+2°之間?！猈ikipedia各地的磁偏角：

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上海4°26'

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——百度百科Latitude31.33°NLongitude121.48°EDeclination=5°34'Wchangingby0°4'W/year

——NOAASatellitesandInformation,NationalGeophysicalDataCenter(NGDC).2009-12-3021陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告在中國的大部分地區(qū)，地磁偏角在-10°～+2°之間。2009-12-3022陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告2009-12-3022陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告可能的原因計(jì)算錯(cuò)誤

反復(fù)計(jì)算同學(xué)的數(shù)據(jù)參考地磁場(chǎng)水平分量小了10倍

地磁場(chǎng)強(qiáng)度大約10-5T地磁場(chǎng)垂直分量大了10倍N=100r=0.1530m

I=0.068A2009-12-3023陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告可能的原因計(jì)算錯(cuò)誤

反復(fù)計(jì)算同學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能數(shù)據(jù)B//

/10-5T2.4792.479B垂直/10-5T1.9980.1998B地/10-5T3.1842.487tanα0.8060.0806α/°38.874.612009-12-3024陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告B///10-5T2.4792.479B垂直/10-5我的結(jié)論地磁場(chǎng)的垂直分量數(shù)量級(jí)不正確，使結(jié)果擴(kuò)大了十倍BNr中可能有一個(gè)量不正確2009-12-3025陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告我的結(jié)論地磁場(chǎng)的垂直分量數(shù)量級(jí)不正確，使結(jié)果擴(kuò)大參考資料1.戴道宣戴樂山.近代物理實(shí)驗(yàn).高等教育出版社，20062.吳思誠等.近代物理實(shí)驗(yàn).北京大學(xué)出版社，19953.吳泳華等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).中國科學(xué)技術(shù)出版社，19924.楊福家.原子物理學(xué).高等教育出版社，20042009-12-3026陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告參考資料1.戴道宣戴樂山.近代物理實(shí)驗(yàn).高等教育出版社，2謝謝！2009-12-3027陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告謝謝！2009-12-3027陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告光泵磁共振實(shí)驗(yàn)電子科學(xué)與技術(shù)A14：陳曦

073003000772009-12-3028陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告光泵磁共振實(shí)驗(yàn)電子科學(xué)與技術(shù)A14：陳曦

073003000實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤獬檫\(yùn)的原理，掌握光泵磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并測(cè)量汽態(tài)銣（Rb）原子的g因子。2009-12-3029陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤獬檫\(yùn)的原理，掌握光泵磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并測(cè)量汽態(tài)銣原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼分裂原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)是由原子的核磁矩與電子磁矩互作用產(chǎn)生的，當(dāng)原子處于弱磁場(chǎng)B中時(shí)，原子的總磁矩與磁場(chǎng)相互作用使能級(jí)進(jìn)一步分裂形成等間距的塞曼子能級(jí)。各能級(jí)能量差為到的躍遷產(chǎn)生波長為7948?的D1線，到的躍遷產(chǎn)生7800?的D2線。實(shí)驗(yàn)原理2009-12-3030陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告銣原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼分裂原子能級(jí)銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009-12-3031陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009在磁場(chǎng)中，原子在各子能級(jí)上的數(shù)目按玻耳茲曼分布，當(dāng)用左旋圓偏振光照射氣態(tài)銣原子時(shí)，根據(jù)光躍遷選擇定則光抽運(yùn)效應(yīng)及偏極化的保持

87Rb的52S1/2態(tài)塞曼子能級(jí)上經(jīng)過多次激發(fā)和自發(fā)輻射后，大量原子被抽運(yùn)到基態(tài)F=2mF=+2的子能級(jí)上，形成原子在各能級(jí)間的非平衡分布稱為偏極化。2009-12-3032陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告在磁場(chǎng)中，原子在各子能級(jí)上的數(shù)目按玻耳茲曼分布，當(dāng)用左旋圓偏類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居在F=2子能級(jí)上，對(duì)85Rb，則抽運(yùn)到mF=+3的子能級(jí)上。有了偏極化就可以得到較強(qiáng)的磁共振信號(hào)。2009-12-3033陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居對(duì)于87Rb，因光抽運(yùn)，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，mF=+2能級(jí)上，偏極化達(dá)到飽和。這時(shí)在垂直于B的平面內(nèi)施加一個(gè)頻率為ν的射頻場(chǎng)B1，當(dāng)滿足磁共振條件塞曼子能級(jí)間的磁共振和光探測(cè)時(shí),在塞曼子能級(jí)間產(chǎn)生感應(yīng)躍遷，稱為磁共振。磁共振消除了原子分布的偏極化，由于光連續(xù)照射，存在光抽運(yùn)，原子又被抽運(yùn)到mF=+2子能級(jí)上，因而躍遷與抽運(yùn)達(dá)到一個(gè)新平衡。2009-12-3034陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告對(duì)于87Rb，因光抽運(yùn)，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故光抽運(yùn)與磁共振躍的過程就可以連續(xù)地進(jìn)行下去。通過測(cè)量光強(qiáng)的變化，即可得到磁共振信號(hào)。儀器的巧妙之處就是將一個(gè)低頻射頻光子（1～10MHZ）轉(zhuǎn)換成高頻光頻光子（108MHZ），從而使信號(hào)功率提高了7～8個(gè)數(shù)量級(jí)。2009-12-3035陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故光抽運(yùn)與磁實(shí)驗(yàn)裝置2009-12-3036陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告實(shí)驗(yàn)裝置2009-12-309陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告TektronixTDS1002雙蹤數(shù)字示波器愛使AS3343頻率計(jì)數(shù)器新建XJ1630信號(hào)發(fā)生器DH807型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置2009-12-3037陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告TektronixTDS1002雙蹤數(shù)字示波器20實(shí)驗(yàn)過程1.磁場(chǎng)測(cè)量亥姆霍茲線圈中電流I(A)電阻R(Ω)半徑r(m)匝數(shù)N2009-12-3038陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告實(shí)驗(yàn)過程1.磁場(chǎng)測(cè)量2009-12-3011陳曦近代物理實(shí)2.光抽運(yùn)信號(hào)的觀察掃場(chǎng)選擇為方波，選擇掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量方向相反。2009-12-3039陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告2.光抽運(yùn)信號(hào)的觀察2009-12-3012陳曦近代物理實(shí)3.磁共振信號(hào)的觀察利用三角波掃場(chǎng)，本實(shí)驗(yàn)用掃場(chǎng)法即固定v改變B，來觀察和測(cè)量磁共振信號(hào)，通過改變?nèi)遣ǚ较?，找出并區(qū)分對(duì)應(yīng)于87Rb和85Rb的共振信號(hào)。注意區(qū)分共振信號(hào)與光抽運(yùn)信號(hào)，這里注意B由三部分組成，即水平線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B0、掃場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B掃和地磁場(chǎng)水平方向的磁場(chǎng)B//組成。每當(dāng)磁場(chǎng)B值與射頻頻率ν滿足共振條件時(shí)，銣原子分布的偏極化被破壞，產(chǎn)生新的抽運(yùn)。2009-12-3040陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告3.磁共振信號(hào)的觀察利用三角波掃場(chǎng)，本實(shí)驗(yàn)用掃場(chǎng)法即2009-12-3041陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告2009-12-3014陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告4.測(cè)量gF因子用三角波掃場(chǎng)。固定磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)ν，測(cè)出共振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率ν1，改變水平磁場(chǎng)方向，重復(fù)上述步驟，測(cè)出ν2則注意：同一B下，存在兩個(gè)v產(chǎn)生共振信號(hào)，頻率高的對(duì)應(yīng)于87Rb，低的對(duì)應(yīng)于85Rb。2009-12-3042陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告4.測(cè)量gF因子用三角波掃場(chǎng)。固定磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)ν，測(cè)出gFI/A85Rb87Rb0.250.3380.3390.5070.5070.350.3380.3410.5090.5100.450.3390.3390.5090.50985Rb平均gF=0.339相對(duì)誤差1.7%87Rb平均gF=0.509相對(duì)誤差1.8%2009-12-3043陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告gF85Rb平均gF=0.3395.測(cè)量共振線寬固定磁場(chǎng)，改變射頻頻率v，使共振信號(hào)平移Δx。如果對(duì)應(yīng)的頻率改變量為Δν，半寬高為d，則線寬為：2009-12-3044陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告5.測(cè)量共振線寬固定磁場(chǎng)，改變射頻頻率v，使共振信號(hào)平Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.124MHzΔx=24.0msh=70mVd=6.8ms=35.13KHz2009-12-3045陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.1246.測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量先使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量方向相同，調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)頻率，待共振后，讀得ν1，再同時(shí)使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)反向，待共振后讀得ν2，則地磁場(chǎng)大小地磁場(chǎng)方向tanα=B垂直/B//2009-12-3046陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告6.測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量先使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地=3.184×10-5Ttanα=0.806α=38.87°2009-12-3047陳曦近代物理實(shí)驗(yàn)口頭報(bào)告=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地在中國的大部分地區(qū)，地磁偏角在-10°～+2°之間。——Wikipedia各地的磁偏角：

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