光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包含：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)使用儀器與材料、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與歸納（數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等）、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、實(shí)驗(yàn)心得一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.觀察銣原子光抽運(yùn)信號(hào)，加深對(duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的理解；2.觀察銣原子的磁共振信號(hào)，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；3.學(xué)會(huì)利用光磁共振的方法測(cè)量地磁場(chǎng)。二、實(shí)驗(yàn)使用儀器與材料：數(shù)字示波器、光泵磁共振實(shí)驗(yàn)儀、射頻信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、DHg07A型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置電源。 （核磁共振儀器連線圖）三、實(shí)驗(yàn)步驟：1儀器調(diào)整（1）撳進(jìn)預(yù)熱鍵，加熱樣品吸收泡約5并控溫，同時(shí)也加熱銣燈約并控溫，約3分鐘溫度穩(wěn)定，撳進(jìn)工作鍵，此時(shí)銣燈應(yīng)發(fā)出玫瑰紫色光。（2）將光源、透鏡、吸收池、光電探測(cè)器等的位置調(diào)到準(zhǔn)直，調(diào)節(jié)前后透鏡的位置使到達(dá)光電池的光量最大。（）調(diào)整雙蹤示波器，使一通道觀察掃場(chǎng)電壓波形，另一通道觀察光電探測(cè)器的信號(hào)。2觀測(cè)光抽運(yùn)信號(hào)（1）先用指南針判斷掃場(chǎng)、水平場(chǎng)、垂直場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向。當(dāng)判斷某一場(chǎng)時(shí)應(yīng)將另兩個(gè)場(chǎng)置于零，判斷水平場(chǎng)和垂直場(chǎng)時(shí)，應(yīng)記下數(shù)字電壓表對(duì)應(yīng)電壓的符號(hào)。（2）不開射頻振蕩器，掃場(chǎng)選擇“方波”，調(diào)節(jié)掃場(chǎng)的大小和方向，使掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)的水平分量方向相反，特別是地磁場(chǎng)的垂直分量對(duì)光抽運(yùn)信號(hào)有很大影響，因此要使垂直恒定磁場(chǎng)的方向與其相反并抵消。同時(shí)旋轉(zhuǎn)波片，可獲得最佳光抽運(yùn)信號(hào)（圖2-）。掃場(chǎng)是一交流調(diào)制場(chǎng)。當(dāng)它過零并反向時(shí)，分裂的塞曼子能級(jí)將發(fā)生簡(jiǎn)并及再分裂；當(dāng)能級(jí)簡(jiǎn)并時(shí)，銣原子的碰撞使之失去偏極化；當(dāng)能級(jí)再分裂后，各塞曼子能級(jí)上的粒子布居數(shù)又近于相等，因此光抽運(yùn)信號(hào)將再次出現(xiàn)。掃場(chǎng)的作用就是要反復(fù)出現(xiàn)光抽運(yùn)信號(hào)。當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)的垂直分量被垂直場(chǎng)抵消時(shí)將出現(xiàn)最佳光抽運(yùn)信號(hào)，故此時(shí)也就測(cè)出地磁場(chǎng)垂直分量的大小。測(cè)量基態(tài)的值由磁共振表達(dá)式得 .(4)可由頻率計(jì)給出，因此如知便可求出。此處是使原子塞曼分裂的總磁場(chǎng)，它包括除了可以測(cè)知的水平場(chǎng)外還包括地磁水平分量和掃場(chǎng)直流分量。實(shí)驗(yàn)采用將水平場(chǎng)換向的方法來消除地磁水平分量和掃場(chǎng)直流分量。先將水平場(chǎng)和掃場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平方向相同，掃場(chǎng)為三角波，水平場(chǎng)電壓調(diào)到一定值。調(diào)節(jié)射頻信號(hào)頻率，發(fā)生磁共振時(shí)將觀察到圖2-5波形，此時(shí)頻率為1（對(duì)應(yīng)于總場(chǎng)為1），再改變水平場(chǎng)方向，仍用上述方法得到頻率2（對(duì)應(yīng)于總場(chǎng)為2），如圖2-5所示。這樣就排除了地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)直流分量的影響。而水平場(chǎng)對(duì)應(yīng)的頻率為（12）2，水平磁場(chǎng)的數(shù)值可由水平電壓和水平亥姆霍茲線圈的參數(shù)來確定。由于與的值不同，根據(jù)對(duì)的，對(duì)的可知，當(dāng)水平場(chǎng)不變時(shí)，頻率高的為共振信號(hào)，頻率低的為共振信號(hào)；當(dāng)射頻不變時(shí)，水平磁場(chǎng)大的為共振信號(hào)，水平磁場(chǎng)小的為共振信號(hào)。還要注意的是，因?yàn)槿遣⊕邎?chǎng)的波峰和波谷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，故對(duì)每一同位素將分別在波峰和波谷處觀察到不同頻率的磁共振信號(hào)。上述實(shí)驗(yàn)是固定水平磁場(chǎng)調(diào)節(jié)射頻頻率的方法（調(diào)頻法），還可以采用固定射頻頻率調(diào)節(jié)水平磁場(chǎng)的方法（調(diào)場(chǎng)法）進(jìn)行。 測(cè)量地磁場(chǎng) 同測(cè)方法類似，先使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量方向相同測(cè)得，然后同時(shí)改變掃場(chǎng)和水平場(chǎng)的方向測(cè)得，這樣得到地磁場(chǎng)水平分量對(duì)應(yīng)的頻率為，即排除了掃場(chǎng)和水平場(chǎng)的影響，從而得到,而已在實(shí)現(xiàn)最佳光抽運(yùn)信號(hào)時(shí)測(cè)知，由此可得地磁場(chǎng)的大小和方向：（5）（6）四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與歸納（數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等）： （核磁共振實(shí)驗(yàn)儀圖） （光抽運(yùn)信號(hào)圖） （核磁共振圖像（1）， =9.711000kHz） （核磁共振圖像（2），=10.841000kHz）實(shí)驗(yàn)參數(shù)核磁共振圖像（1）9.71100kHz核磁共振圖像（2）10.84100kHz垂直場(chǎng)電磁場(chǎng)B10.053T加在線圈上的水平直流電I0 0.464A線圈的有效半徑r0.2376m線圈每邊的匝數(shù)N250（1） 理論上的朗德因子計(jì)算：， （1）（2）1、計(jì)算理論上的朗德因子， 對(duì)于 ，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 3/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。2、計(jì)算理論上的朗德因子 對(duì)，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 5/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 ；電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。（2） 實(shí)際上測(cè)出理論上的朗德因子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，銣原子的為其中h為普朗克常數(shù)，為玻爾磁子，為射頻頻率。 因?yàn)?,即，當(dāng)出現(xiàn)該共振信號(hào)時(shí)，為信號(hào)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：本實(shí)驗(yàn)我們通過DH807型光泵磁共振的實(shí)驗(yàn)裝置觀察了銣原子的光抽運(yùn)信號(hào)和光泵磁共振信號(hào)，并通過測(cè)量得到了下列的數(shù)值。1. 理論得到的87Rb的gF=0.50000；2. 實(shí)驗(yàn)得到的85Rb的，與理論值的誤差為0.335%。符合實(shí)驗(yàn)要求。六、思考題：1、 找和觀察光抽運(yùn)信號(hào)時(shí)，一開始可能找不到光抽運(yùn)信號(hào)，試分析有哪幾種可能的原因。答：可能有四種原因：（1）儀器未充分預(yù)熱；（2）可能是沒有把水平磁場(chǎng)的方向調(diào)到與地磁場(chǎng)水平分量相反；（3）電場(chǎng)電流設(shè)置不正確；（4）沒有加上遮光罩。2. 實(shí)驗(yàn)為了觀察磁共振信號(hào)，在恒定磁場(chǎng)上疊加了直流分量不為零的三角波磁場(chǎng)信號(hào)，如果恒定磁場(chǎng)、地磁場(chǎng)的水平分量和三角波磁場(chǎng)的方向組合合適，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)光抽運(yùn)信號(hào)。這樣產(chǎn)生的光抽運(yùn)信號(hào)和磁共振信號(hào)有什么不同？如何區(qū)別？如何避免在觀測(cè)磁共振信號(hào)時(shí)出現(xiàn)光抽運(yùn)信號(hào)？答：該光抽運(yùn)信號(hào)當(dāng)磁場(chǎng)頻率改變時(shí)信號(hào)變化不大，可以調(diào)節(jié)頻率用以區(qū)別。為了避免出現(xiàn)這種情況的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要先從低電流時(shí)的反向頻率測(cè)起，保證在此時(shí)不會(huì)過零，這樣才能保證以后測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。3. 實(shí)驗(yàn)裝置中為什么要用垂直磁場(chǎng)線圈抵消地磁場(chǎng)的垂直分量？不抵消會(huì)有什么不良后果？答：用垂直磁場(chǎng)線圈抵消地磁場(chǎng)的垂直分量是為了消除地磁場(chǎng)在垂直方向上對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，如不抵消，實(shí)驗(yàn)效果將不明顯，導(dǎo)致誤差較大，甚至觀察不到信號(hào)。4. 試計(jì)算出87Rb和85Rb的gF因子理論值。答：（1）對(duì)于 ，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 3/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。（2）對(duì)，在原子態(tài)中，核自旋量子數(shù)I = 5/2；基態(tài)原子角動(dòng)量的量子數(shù)F ：F= 2 ；電子的軌道量子數(shù)L=0，電子的自旋角動(dòng)量量子數(shù)S=，電子總角動(dòng)量的量子數(shù)J=。5.銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)間的磁共振信號(hào)用什么方法檢測(cè)的？實(shí)驗(yàn)過程中如何區(qū)分87Rb 和85Rb的磁共振信號(hào)？答：（1）銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)間的磁共振信號(hào)采用在光抽運(yùn)的基礎(chǔ)上，施加一恒定磁場(chǎng)的B0的射頻場(chǎng)B1作用于樣品，并采用三角波作掃場(chǎng)。對(duì)應(yīng)于射頻場(chǎng)B1的頻率值，調(diào)節(jié)B0大小使?jié)M足磁共振條件h=gFB B0 ，便可觀測(cè)到光汞磁共振信號(hào)。（2） 共振頻率與磁場(chǎng)的關(guān)系為87Rb： ；85Rb：，因此對(duì)與同一磁場(chǎng)值，兩種同位素的共振磁場(chǎng)是不一樣，即可以先固定某一頻率，在由小到大調(diào)節(jié)B0，會(huì)先后兩次出現(xiàn)共振信號(hào)，根據(jù)上兩式，即可區(qū)分87Rb 和85Rb的磁共振信號(hào)。6.測(cè)定的gF因子的方法是否受到地磁場(chǎng)和掃場(chǎng)直流分量的影響？為什么？答：測(cè)定的gF因子的方法是受到地磁場(chǎng)和掃場(chǎng)直流分量的影響很大的影響，（1）因?yàn)楸緶y(cè)定方法是在弱磁場(chǎng)作用下進(jìn)行的，地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)直流分量的影響