近代物理實(shí)驗(yàn)_光磁共振實(shí)驗(yàn)深圳大學(xué)

1、深 圳 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 課程名稱(chēng)： 近代物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 光磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué)院： 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 組號(hào) 09 指導(dǎo)教師： 陳靜秋 報(bào)告人： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 01 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) 科技樓B105 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間： 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(cè)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(cè)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(jí) 本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為銣原子，天然銣有兩種同位素； 85Rb（占7215%）和87Rb（占2785%）選用天然銣作樣品，既可避免使用昂貴的單一同位素，又

2、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(jí)躍遷的磁共振信號(hào)銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖941所示在磁場(chǎng)中，銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂標(biāo)定這些分裂能級(jí)的磁量子數(shù)mF=F，F(xiàn)1，F(xiàn)，因而一個(gè)超精細(xì)能級(jí)分裂為2F1個(gè)塞曼子能級(jí) 設(shè)原子的總角動(dòng)量所對(duì)應(yīng)的原子總磁矩為F，F(xiàn)與外磁場(chǎng)B0相互作用的能量為EF·B0gF mF F B0                     &

3、#160;             （9.4.1）這正是超精細(xì)塞曼子能級(jí)的能量式中玻爾磁子B92741×1024J·T1 ，朗德因子gF= gF F(F+1)+J(J+1)I（I1） 2F（F1）    （9.4.2）其中g(shù)J= 1+J(J+1)L(L+1)+S（S1） 2J（J1）           &#

4、160;      （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(jí)之間的能量差EgF B B0 ，                               

5、60;              （9.4.4）式中E與B0成正比關(guān)系，在弱磁場(chǎng)B00，則塞曼子能級(jí)簡(jiǎn)并為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)2光抽運(yùn)效應(yīng)  在熱平衡狀態(tài)下，各能級(jí)的粒子數(shù)遵從玻耳茲曼分布，其分布規(guī)律由式(90.12)表示由于超精細(xì)塞曼子能級(jí)間的能量差E很小，可近似地認(rèn)為這些子能級(jí)上的粒子數(shù)是相等的這就很不利于觀測(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)原子使原子能級(jí)的粒子數(shù)分布產(chǎn)生重大改變由于光波中磁場(chǎng)對(duì)電子的作用遠(yuǎn)小于電場(chǎng)對(duì)電

6、子的作用，故光對(duì)原子的激發(fā)，可看作是光波的電場(chǎng)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(chǎng)B0的方向相同，則左旋圓偏振的光的電場(chǎng)E繞光傳播方向作右手螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，其角動(dòng)量為；右旋圓偏振的光的電場(chǎng)E繞光傳播方向作左手螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，其角動(dòng)量為；線偏振的光可看作兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光的疊加，其角動(dòng)量為零現(xiàn)在以銣燈作光源由圖9.4.1可見(jiàn)，銣原子由5 2P125 2S12的躍遷產(chǎn)生D1線，波長(zhǎng)為07948m；由5 2P325 2S12的躍遷產(chǎn)生D2線，波長(zhǎng)為o7800m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(huì)吸收它們的能量而引起相反方向的躍遷過(guò)程然而，頻率一定而角動(dòng)量不同的光所引

7、起的塞曼子能級(jí)的躍遷是不同的，由理論推導(dǎo)可得躍遷的選擇定則為 L±1   ，  F0，±1，      mF±1   。                （9.4.5）所以，當(dāng)入射光為D1光，作用87Rb時(shí)，由于87Rb的5 2S12態(tài)和5 2P12態(tài)的磁量子數(shù)mF的最大值均為±2，而光角動(dòng)量為只能引

8、起mF1的躍遷，故D1光只能把基態(tài)中除mF2以外各子能級(jí)上的原子激發(fā)到5 2P12的相應(yīng)子能級(jí)上，如圖942(a)所示    圖942(b)表示躍遷到5 2P12上的原子經(jīng)過(guò)大約108s后，通過(guò)自發(fā)輻射以及無(wú)輻射躍遷兩種過(guò)程，以相等概率回到基態(tài)5 2S12各個(gè)子能級(jí)上這樣，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)之后，基態(tài)mF2子能級(jí)上的粒子數(shù)就會(huì)大大增加，即基態(tài)其他能級(jí)上大量的粒子被“抽運(yùn)”到基態(tài)mF2子能級(jí)上這就是光抽運(yùn)效應(yīng)    同理，如果用D1光照射，則大量粒子將被“抽運(yùn)”到mF2子能級(jí)上但是，光照射是不可能發(fā)生光抽運(yùn)效應(yīng)的對(duì)于銣85Rb，若用D1光照射

9、，粒子將會(huì)“抽運(yùn)”到mF3子能級(jí)上    3弛豫過(guò)程  光抽運(yùn)使得原子系統(tǒng)能級(jí)分布偏極化而處于非平衡狀態(tài)時(shí)，將全通過(guò)弛緣過(guò)程回復(fù)到熱平衡分布狀態(tài)弛豫過(guò)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(jí)，可大大減少銣原子與容器壁碰撞的機(jī)會(huì)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(jí)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(jí)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“

10、抽運(yùn)”到特定的子能級(jí)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102s數(shù)量級(jí)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)，比玻耳茲曼分布造成的差數(shù)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)    1磁共振與光檢測(cè)  式（9.4.4）給出了銣原子在弱磁場(chǎng)B0作用下相鄰塞曼子能級(jí)的能量差要實(shí)現(xiàn)這些子能級(jí)的共振躍遷，還必須在垂直于恒定磁場(chǎng)B0的方向上施加一射頻場(chǎng)B1作用于樣品當(dāng)射頻場(chǎng)的頻率滿足共振條件           h E gF B B0    &

11、#160;                            (946)時(shí)，便發(fā)生基態(tài)超精細(xì)塞曼子能級(jí)之間的共振躍遷現(xiàn)象若作用在樣品上的是D1光，對(duì)于87Rb來(lái)說(shuō)是由mF2躍遷到mF1子能級(jí)接著也相繼有mF1的原子躍遷到mF0，與此同時(shí)，光抽運(yùn)又把基態(tài)中非mF2的原子抽運(yùn)引mF2子能級(jí)上因此，興振躍遷與光抽運(yùn)將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的

12、動(dòng)態(tài)平衡發(fā)生磁共振時(shí)，處于基態(tài)mF2子能級(jí)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(shuō)，發(fā)生磁共振時(shí)能級(jí)分布布的偏極化程度降低了，從而必然會(huì)增大對(duì)D1光的吸收。   作用在樣品上的D1光，一方面起抽運(yùn)作用另一方面可用透過(guò)樣品的光作為檢測(cè)光，即一束光起了抽運(yùn)和檢測(cè)兩重作用對(duì)磁共振信號(hào)進(jìn)行光檢測(cè)可大大提高檢測(cè)的靈敏度本來(lái)塞曼子能級(jí)的磁共振信號(hào)非常微弱，特別是密度很低的氣體樣品的信號(hào)就更加微弱，直接觀察射頻共振信號(hào)是很困難的光檢測(cè)充分利用磁共振時(shí)伴隨著D1光強(qiáng)的變化，可巧妙地將一個(gè)頻率較低的射頻量子(110MHz)轉(zhuǎn)換成一個(gè)頻率很高的光頻量子（約108MHz）的變化，使

13、觀察信號(hào)的功率提高了78個(gè)數(shù)量級(jí)這樣，氣體樣品的微弱磁共振信號(hào)的觀測(cè)，便可用很簡(jiǎn)便的光檢測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 三、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)裝置的方框圖如圖944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(hào)發(fā)生器，頻率計(jì)和示波器等）    1主體單元  光路系統(tǒng)中的光源為高頻無(wú)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(guò)率大于50，帶寬小于0015m能很好地慮去D2光（D2 光不利于D1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58cm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D1作

14、用于樣品接著，透鏡L2把透過(guò)樣品泡的光束會(huì)聚到光電器件上，變?yōu)殡娦盘?hào)放大后再送到示波器顯示    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(chǎng)作用于樣品產(chǎn)生水平恒定磁場(chǎng)和掃場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)B0值由02×104T連續(xù)可調(diào)掃場(chǎng)BS值約為0011×104T，也可連續(xù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生垂直恒定磁場(chǎng)的一組亥姆霍茲線圈，用以抵銷(xiāo)地磁場(chǎng)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(chǎng)，可分別由表頭指示（或

15、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（4496NV）×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

16、電壓(V)各組線圈的這些數(shù)值可在議器說(shuō)明書(shū)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(chǎng)和垂直磁場(chǎng)的直流穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生掃場(chǎng)的方波和三角波信號(hào)源，以及提供控制和監(jiān)測(cè)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(chǎng)信號(hào)源，以代替輔助源中方波和三角波信號(hào)源示波器作為顯示和測(cè)量實(shí)驗(yàn)中各種信號(hào)之用可由雙線示波器的其中一個(gè)通道（例如Y1）觀測(cè)方波和三角波等掃場(chǎng)信號(hào)，另一個(gè)通道(例如Y2)觀測(cè)光抽運(yùn)和磁共振信號(hào)實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)通道的信號(hào)對(duì)照觀測(cè)，可能更好地理解原理，更好地進(jìn)行調(diào)節(jié)和檢測(cè)工作4、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及具體步驟：一、 準(zhǔn)備： 在裝置加電之前，先應(yīng)進(jìn)行主體

17、單元光路的機(jī)械調(diào)整(見(jiàn)本說(shuō)明書(shū)安裝和調(diào)整部分)。 再借助指南針將光具座與地磁場(chǎng)水平分量平行擱置。檢查各聯(lián)線是否正確。 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，按下電源 開(kāi)關(guān)。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點(diǎn)亮，實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。二、 觀測(cè)光抽運(yùn)信號(hào)掃場(chǎng)方式選擇“方波”，調(diào)大掃場(chǎng)幅度。再將指南針置于吸收池上邊，改變掃場(chǎng)的方向，設(shè)置掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量方向相反，然后將指南針拿開(kāi)。預(yù)置垂直場(chǎng)電流為0.07A左右，用來(lái)抵消地磁場(chǎng)垂直分量。然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度、調(diào)節(jié)掃場(chǎng)幅度及垂直場(chǎng)大小和方向，使光抽運(yùn)信號(hào)(如圖7.所示)幅度最大。再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦，使光

18、抽運(yùn)信號(hào)幅度最大。 圖. 光抽運(yùn)信號(hào)三、 觀測(cè)光磁共振譜線31 測(cè)量g因子掃場(chǎng)方式選擇“三角波”，將水平場(chǎng)電流預(yù)置為0.2A左右，并使水平磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)方向相同(由指南針來(lái)判斷)。垂直場(chǎng)的大小和偏振鏡的角度保持上面的狀態(tài)。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8.a波形，可讀出頻率及對(duì)應(yīng)的水平場(chǎng)電流I。再按動(dòng)水平場(chǎng)方向開(kāi)關(guān)，使水平場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)方向相反。仍用上述方法(如圖8.b所示)，可得到。這樣,水平磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的頻率為，即排除了地磁場(chǎng)水平分量及掃場(chǎng)直流分量的影響。水平磁場(chǎng)的數(shù)值可從水平場(chǎng)、 電流及水平亥姆霍茲線圈的參數(shù)來(lái)確定(亥姆霍茲線圈軸線中心處磁場(chǎng)

19、的公式見(jiàn)附錄)。 由公式： (1) (2)可計(jì)算出因子。式中： 玻爾磁子； 普朗克常數(shù)； 水平直流磁場(chǎng)； 共振頻率。5、 數(shù)據(jù)處理 亥姆霍茲線圈參數(shù)：水平場(chǎng)線圈掃場(chǎng)線圈垂直場(chǎng)線圈線圈匝數(shù)250250100有效半徑0.2676m0.2420m0.1530m水平電場(chǎng)為0.2A 水平場(chǎng)線圈r=0.2676m 水平場(chǎng)線圈N=250頻率KHz 幅度波峰波谷正向（按下）516KHz 776KHz 369KHz 550KHz 反向（彈起）328KHz 491KHz 478.6KHz 717KHz 表中最大共振幅度的頻率分別是516KHz ，328KHz ，369KHz，478.6KHz 為85Rb的共振信號(hào)

20、。頻率776KHz ，491KHz ，550KHz ，717KHz 為87Rb的共振信號(hào)。共振信號(hào)對(duì)準(zhǔn)波谷時(shí)，求85Rb的朗德因子g及其相對(duì)誤差：銣原子的為 ；B=B水平+B水平掃場(chǎng)+B水平地磁場(chǎng) 其中h為普朗克常數(shù)，為玻爾磁子，為射頻頻率。 v=（369KHz+478.6KHz）/2=432.8KHz，可以得到 85Rb 的 = 理論值gF理論 = 相對(duì)誤差為共振信號(hào)對(duì)準(zhǔn)波峰時(shí)，求85Rb的朗德因子g及其相對(duì)誤差：v=（516KHz+328KHz）/2=422KHz，可以得到85Rb的 = 理論值gF理論 = 相對(duì)誤差為共振信號(hào)對(duì)準(zhǔn)波峰時(shí)，求87Rb的朗德因子g及其相對(duì)誤差：v=（776KH

21、z+491KHz）/2=633.5KHz，可以得到87Rb的 = 理論值gF理論 = 相對(duì)誤差為共振信號(hào)對(duì)準(zhǔn)波谷時(shí)，求87Rb的朗德因子g及其相對(duì)誤差：v=（550KHz+717KHz）/2=633.5KHz，可以得到87Rb的 =理論值gF理論 = 相對(duì)誤差為六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 87Rb的朗德因子g及其相對(duì)誤差：v=（776+491+550+717） /4=633.5KHz，可以得到87Rb的 = 理論值gF理論 = 相對(duì)誤差為5.4%85Rb的朗德因子g及其相對(duì)誤差：v=（516KHz+328KHz+369KHz+478.6KHz）/4=422.9KHz，可以得到85Rb的 = 理論值gF理論

22、= 相對(duì)誤差為5%七、實(shí)驗(yàn)總結(jié).通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我了解并且熟悉了光磁共振的原理以及如何通過(guò)使用儀器來(lái)完成實(shí)驗(yàn)；并且學(xué)習(xí)了光抽運(yùn)現(xiàn)象的原理以及如何去測(cè)量朗德因子。本次實(shí)驗(yàn)操作并不復(fù)雜，還算簡(jiǎn)單，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為順利。實(shí)驗(yàn)最終所得相對(duì)誤差為5%，在誤差范圍內(nèi)，較精確。八、思考題1為什么要濾去D2光？用光為什么不能實(shí)現(xiàn)光抽運(yùn)?用D1光照射85Rb將如何？答：濾去D2光的原因是它不利于D1光的搬運(yùn)，躍遷到52P1/2上的原子通過(guò)自發(fā)輻射以及無(wú)輻射躍遷兩種過(guò)程回到基態(tài)52S1/2各個(gè)子能級(jí)上，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)之后，基態(tài)其他能級(jí)上大量的例子被搬運(yùn)到基態(tài)mF=+2子能級(jí)上，為此光抽運(yùn)，而當(dāng)用光時(shí)，由于mF=0，則不產(chǎn)生光抽運(yùn)效應(yīng)，且此時(shí)85Rb原子對(duì)光有強(qiáng)的吸收，而用D1光照射時(shí)，光有與+光同樣的作用，不過(guò)它是將大量粒子抽運(yùn)到mF=-2的能級(jí)上。2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)是用什么方法檢測(cè)的?實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如何區(qū)分87Rb和85Rb的磁共振信號(hào)？答：磁共振信號(hào)是通過(guò)測(cè)量透射光強(qiáng)的變化得到的，光檢測(cè)罰利用磁共振時(shí)伴隨著+光強(qiáng)的變化，巧妙的將一個(gè)頻率較低的射頻兩字轉(zhuǎn)換成一個(gè)射頻較高的光頻量子的變化，使觀察信號(hào)的功率提高了7-8個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)水平場(chǎng)不變時(shí)，頻率高的為87Rb共振信號(hào)，頻率較低的為85Rb共振信號(hào)。