近代物理實(shí)驗(yàn)-光磁共振v

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉光磁共振原理及儀器使用；2、觀察光抽運(yùn)現(xiàn)象；3、測量朗德因子值；4、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)驗(yàn)的測試能力。二、實(shí)驗(yàn)原理1、銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)能級．本實(shí)驗(yàn)的研究對象為銣原子，天然銣有兩種同位素；85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．選用天然銣作樣品，既可避免使用昂貴的單一同位素，又可在一個(gè)樣品上觀察到兩種原子的超精細(xì)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9．4．1所示．在磁場中，銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級產(chǎn)生塞曼分裂．標(biāo)定這些分裂能級的磁量子數(shù)mF=F，F(xiàn)－1，…，－F，因而一個(gè)超精細(xì)能級分裂為2F＋1個(gè)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μF，μF與外磁場B0相互作用的能量為E＝－μF·B0＝gFmFμFB0

（9.4.1）這正是超精細(xì)塞曼子能級的能量．式中玻爾磁子μB＝9．2741×10－24J·T－1，朗德因子gF=gF[F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）]?2F（F＋1）

（9.4.2）其中g(shù)J=1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）]?2J（J＋1）

（9.4.3）上面兩個(gè)式子是由量子理論導(dǎo)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ΔE＝gFμBB0，

（9.4.4）式中ΔE與B0成正比關(guān)系，在弱磁場B0＝0，則塞曼子能級簡并為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級．2．光抽運(yùn)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(9．0.12)表示．由于超精細(xì)塞曼子能級間的能量差ΔE很小，可近似地認(rèn)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(yùn)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(yuǎn)小于電場對電子的作用，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σ﹢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σ－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π光可看作兩個(gè)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52P1?2→52S1?2的躍遷產(chǎn)生D1線，波長為0．7948μm；由52P3?2→52S1?2的躍遷產(chǎn)生D2線，波長為o．7800μm．這兩條譜線在銣燈光譜中特別強(qiáng)，用它們?nèi)ゼぐl(fā)銣原子時(shí)，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起的塞曼子能級的躍遷是不同的，由理論推導(dǎo)可得躍遷的選擇定則為

ΔL＝±1

，

ΔF＝0，±1，

ΔmF＝±1

。

（9.4.5）所以，當(dāng)入射光為D1σ﹢光，作用87Rb時(shí)，由于87Rb的52S1?2態(tài)和52P1?2態(tài)的磁量子數(shù)mF的最大值均為±2，而σ﹢光角動量為?只能引起ΔmF＝＋1的躍遷，故D1σ﹢光只能把基態(tài)中除mF＝＋2以外各子能級上的原子激發(fā)到52P1?2的相應(yīng)子能級上，如圖9．4．2(a)所示．

圖9．4．2(b)表示躍遷到52P1?2上的原子經(jīng)過大約10－8s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)52S1?2各個(gè)子能級上．這樣，經(jīng)過多次循環(huán)之后，基態(tài)mF＝＋2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(yùn)”到基態(tài)mF＝＋2子能級上．這就是光抽運(yùn)效應(yīng)．

同理，如果用D1σ－光照射，則大量粒子將被“抽運(yùn)”到mF＝－2子能級上．但是，π光照射是不可能發(fā)生光抽運(yùn)效應(yīng)的．

對于銣85Rb，若用D1σ＋光照射，粒子將會“抽運(yùn)”到mF＝＋3子能級上．

3．弛豫過程．

光抽運(yùn)使得原子系統(tǒng)能級分布偏極化而處于非平衡狀態(tài)時(shí)，將全通過弛緣過程回復(fù)到熱平衡分布狀態(tài)．弛豫過程的機(jī)制比較復(fù)雜，但在光抽運(yùn)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(gè)數(shù)量級，可大大減少銣原子與容器壁碰撞的機(jī)會．緩沖氣體的分子磁矩非常小，可認(rèn)為它們與銣原子碰撞時(shí)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(yùn)也就不可能把基態(tài)上的原子全部“抽運(yùn)”到特定的子能級上．由實(shí)驗(yàn)得知．樣品泡中充入緩沖氣體后，弛豫時(shí)間為10－2s數(shù)量級．在一般情況下，光抽運(yùn)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(gè)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(shí)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(dāng)射頻場的頻率ν滿足共振條件

hν＝ΔE＝gFμBB0

．

(9．4．6)時(shí)，便發(fā)生基態(tài)超精細(xì)塞曼子能級之間的共振躍遷現(xiàn)象．若作用在樣品上的是D1σ＋光，對于87Rb來說．是由mF＝＋2躍遷到mF＝＋1子能級．接著也相繼有mF＝＋1的原子躍遷到mF＝0，……．與此同時(shí)，光抽運(yùn)又把基態(tài)中非mF＝＋2的原子抽運(yùn)引mF＝＋2子能級上．因此，興振躍遷與光抽運(yùn)將會達(dá)到一個(gè)新的動態(tài)平衡．發(fā)生磁共振時(shí)，處于基態(tài)mF＝＋2子能級上的原子數(shù)小于未發(fā)生磁共振時(shí)的原子數(shù)．也就是說，發(fā)生磁共振時(shí)．能級分布布的偏極化程度降低了，從而必然會增大對D1σ＋光的吸收。

作用在樣品上的D1σ＋光，一方面起抽運(yùn)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(yùn)和檢測兩重作用．對磁共振信號進(jìn)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(shí)伴隨著D1σ＋光強(qiáng)的變化，可巧妙地將一個(gè)頻率較低的射頻量子(1～10MHz)轉(zhuǎn)換成一個(gè)頻率很高的光頻量子（約108MHz）的變化，使觀察信號的功率提高了7～8個(gè)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(shí)現(xiàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)裝置的方框圖如圖9．4．4所示，由光泵磁振實(shí)驗(yàn)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(jì)和示波器等）組成．

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(qiáng)大和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)．濾波片采用干涉濾光片，透過率大于50﹪，帶寬小于0．015μm．能很好地慮去D2光（D2光不利于D1σ＋的光抽運(yùn)）．透鏡L1將光源發(fā)射的光變?yōu)槠叫泄馐?，其焦距約為5～8cm．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D1σ＋作用于樣品．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(shí)驗(yàn)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(dǎo)軌應(yīng)取南北向)．恒定磁場B0值由0～2×10－4T連續(xù)可調(diào)．掃場BS值約為0．01～1×10－4T，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＝（4．496NV）×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(shí)驗(yàn)中各種信號之用．可由雙線示波器的其中一個(gè)通道（例如Y1）觀測方波和三角波等掃場信號，另一個(gè)通道(例如Y2)觀測光抽運(yùn)和磁共振信號．實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)通道的信號對照觀測，可能更好地理解原理，更好地進(jìn)行調(diào)節(jié)和檢測工作．四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及具體步驟：1、

觀察光抽運(yùn)信號。2、

分析87Rb和85Rb的共振信號3、由于本實(shí)驗(yàn)是在弱磁場作用下的磁共振實(shí)驗(yàn)，地磁場水平分量和掃場直流分量的影響不可忽略，由施加到水平軸向的亥姆霍茲線圈上的電壓V來求得的磁場值并不完全等于共振磁場B0，這樣求得的gF值必然存在著系統(tǒng)誤差，需要采取有效的方法來消除．通常選用下述方法：使施加的水平恒定磁場換向，分別測出這兩個(gè)方向的共振頻率ν'和ν"，再取平均值ν＝（ν'＋ν"）／2作為該恒定磁場相應(yīng)的共振頓率，以抵銷地磁水平分量扣掃場直流分量的影響五、數(shù)據(jù)處理水平電場為215毫安r=0.2627mN=250頻率KHz幅度波峰波谷正向（按下）495.6（1.8）697（0.6）353（2.2）546（1.0）反向（彈起）307.4（2）465.2（0.8）445.8（2.8）658（1.2）銣原子的為其中h為普朗克常數(shù)，為玻爾磁子，ν為射頻頻率。V取四個(gè)平均值將QUOTE的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入v=400.45KHz，可以得到=與理論值求誤差為6%同理得到QUOTE的QUOTE=0.46與理論值誤差為8%六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)得到的的為0.31誤差6%；