3光泵磁共振實驗

1、光泵磁共振實驗 物理學中研究物質內部結構，最初是利用光譜學的方法，推動了原子和分子物理學的進展。如果要研究原子、分子等微觀粒子內部更精細的結構和變化，光譜學的方法受到儀器分辨率和譜線線寬的限制。在此情況下發(fā)展的波譜學方法利用物質的微波或射頻共振研究原子的精細、超精細結構以及因磁場存在而分裂形成的塞曼子能級，這比光譜學方法有更高的分辨率。但是，熱平衡下磁共振涉及的能級上粒子布居數差別很小，加以磁偶極躍遷幾率也較小，因此核磁共振波譜方法也有如何提高信息強度的問題。對于固態(tài)和液態(tài)物質的波譜學，如核磁共振(NMR)和電子順磁共振(EPR)，由于樣品濃度大，再配合高靈敏度的電子探測技術，能夠得到足夠強的

2、共振信號。但對氣態(tài)的自由原子，樣品的濃度降低了幾個數量級，就得另外想新辦法來提高共振信號強度。AKastler等人在20世紀50年代提出了光抽運(optical pumping，又稱光泵)技術，并在1966年榮獲諾貝爾獎。光抽運是用圓偏振光束激發(fā)氣態(tài)原子的方法以打破原子在所研究的能級間的玻耳茲曼熱平衡分布，造成所需的布居數差，從而在低濃度的條件下提高了共振強度。這時再用相應頻率的射頻場激勵原子的磁共振。在探測磁共振方面，不直接探測原子對射頻量子的發(fā)射或吸收，而是采用光探測的方法，探測原子對光量子的發(fā)射或吸收。由于光量子的能量比射頻量子高七八個數量級，所以探測信號的靈敏度得以提高。使用光抽運磁共

3、振光探測技術對許多原子、離子和分子進行的大量研究，增進了我們對微觀粒子結構的了解，推動了結構理論方面的研究。此外，光抽運技術在激光、電子頻率標準和精測弱磁場等方面也有重要的應用。 本實驗的物理內容很豐富，實驗過程中不僅掌握其方法，也會見到比較復雜的現象。若能根據基本原理給出正確的分析，將受到一次很好的原子物理實驗和綜合實驗的訓練。1 實驗目的加深對原子超精細結構的理解，測定銣原子（）超精細結構塞曼子能級的朗德因子。2 實驗原理一、銣(Rb)原子能級結構 實驗研究的對象是的氣態(tài)自由原子。是堿金屬原子，在緊緊束縛的滿殼層外只有一個電子，價電子處于第5殼層，主量子數。主量子數為的電子，其軌道量子數。

4、基態(tài)的，最低激發(fā)態(tài)的。電子還具有自旋，電子自旋量子數。由于電子的自旋與軌道運動的相互作用（即耦合）而發(fā)生能級分裂，稱為精細結構(見圖3.1)。軌道角動量與自旋角動量的合成總角動量。原子能級的精細結構用總角動量量子數來標記， （1）原子的基態(tài)，和，因此基態(tài)只有，標記為；其最低激發(fā)態(tài)是（）及（）。與能級之間產生的躍遷是銣原子主線系的第1條線，為雙線。它在銣燈光譜中強度是很大的。躍遷產生波長為7947.6的D1譜線，躍遷產生波長7800的D2譜線。 原子的價電子在耦合中，總角動量與原子的電子總磁矩，的關系為 (2) (3)其中是朗德因子，和是量子數。核具有自旋和磁矩。核磁矩與上述原子的電子總磁矩之間

5、相互作用造成能級的附加分裂，這個附加分裂稱為超精細結構。銣元素在自然界主要有兩種同位素，占27.85%，占72.15。兩種同位素銣核的自旋量子數是不同的。核自旋角動量與電子總角動量，耦合成，有 （4）耦合形成超精細結構能級(見圖32)，由量子數標記 （5）的，它的基態(tài)，具有和兩個狀態(tài)。的，它的基態(tài)，具有和兩個狀態(tài)。 整個原子的總角動量與總磁矩之間的關系可寫為 (6) 其中：因子可按類似于求因子的方法算出?？紤]到核磁矩比電子磁矩小約3個數量級，實際上為在方向的投影，從而得 (7)是對應于與PF關系的朗德因子。以上所述都是沒有外磁場條件下的情況。如果處在外磁場中，由于總磁矩與磁場的相互作用，超精細

6、結構中的各能級進一步發(fā)生塞曼分裂形成塞曼子能級。用磁量子數來表示，即分裂成個子能級，其間距相等。與的相互作用能量為 (8)式中：為玻爾磁子。的能級圖見圖3.3，的能級圖見圖3.4。為了清楚，所有的能級結構圖均未按比例繪制。各相鄰塞曼子能級的能量差為 (9)可以看出與B成正比。當外磁場為零時，各塞曼子能級將重新簡并為原來能級。二、光抽運氣態(tài)原子受D1左旋圓偏振光照射時，遵守光躍遷選擇定則， 在由能級到能級的激發(fā)躍遷中，由于光子的角動量為，只能產生的躍遷?；鶓B(tài)子能級上的粒子若吸收光子就將躍遷到的狀態(tài)，但各子能級最高為。因此基態(tài)中子能級上的粒子就不能躍遷，換言之其躍遷幾率為零。見圖3.5。由到的向下

7、躍遷(發(fā)射光子)中，的各躍遷都是可能的。經過多次上下躍遷，基態(tài)中子能級上的粒子數只增不減，這樣就增大了粒子布居數的差別。這種非平衡分布稱為粒子數偏極化。類似地，也可以用右旋圓偏振光照射樣品，最后原子都布居在基態(tài)，且的子能級上。原子受光激發(fā)，在上下躍遷過程中使某個子能級上粒子過于集中稱之為光抽運，其目的就是要造成基態(tài)能級中的偏極化，實現了偏極化就可以在子能級之間進行磁共振躍遷實驗。 三、弛豫時間 在熱平衡條件下，任意兩個能級和上的粒子數之比都服從玻耳茲曼分布，式中是兩個能級之差，分別是兩個能級，上的原子數目，是玻耳茲曼常數。由于能量差極小，近似地可認為各子能級上的粒子數是相等的。光抽運增大了粒子

8、布居數的差別，使系統處于非熱平衡分布狀態(tài)。 系統由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于平衡分布狀態(tài)的過程稱為弛豫過程。促使系統趨向平衡的機制就是原子之間以及原子與其他物質之間的相互作用。在實驗過程中要保持原子分布有較大的偏極化程度，就要盡量減少返回玻耳茲曼分布的趨勢。但銣原子與容器壁的碰撞以及銣原子之間的碰撞都導致銣原子恢復到熱平衡分布，失去光抽運所造成的偏極化。銣原子與磁性很弱的原子碰撞，對銣原子狀態(tài)的擾動極小，不影響原子分布的偏極化。因此在銣樣品泡中充人的氮氣，它的密度比銣蒸氣原子的密度大6個數量級，這樣可減少原子與容器以及與其他原子的碰撞機會，從而保持原子分布的高度偏極化。此外，處于態(tài)的原子須與緩沖氣

9、體分子碰撞多次才能發(fā)生能量轉移，由于所發(fā)生的過程主要是無輻射躍遷，所以返回到基態(tài)中8個塞曼子能級的幾率均等，因此緩沖氣體分子還有利于粒子更快的被抽運到子能級的過程。 銣樣品泡溫度升高，氣態(tài)銣原子密度增大，則銣原子與器壁及銣原子之間的碰撞都要增加，使原子分布的偏極化減小。而溫度過低時銣蒸氣原子數不足，也使信號幅度變小。因此有個最佳溫度范圍，一般在4060之間(的熔點是38.89)。 四、塞曼子能級之間的磁共振 因光抽運而使Rb87原子分布偏極化達到飽和以后，蒸氣不再吸收D1光，從而使透過銣樣品泡的D1光增強。這時，在垂直于產生塞曼分裂的磁場的方向加一頻率為的射頻磁場，當和之間滿足磁共振條件 (1

10、0)時，在塞曼子能級之間產生感應躍遷，稱為磁共振。躍遷遵守選擇定則原子將從子能級向下躍遷到各子能級上，即大量原子由的能級躍遷到 (見圖36)，以后又躍遷到等各子能級上。這樣，磁共振破壞了原子分布的偏極化，而同時，原子又繼續(xù)吸收入射的D1光而進行新的抽運，透過樣品泡的光就變弱了。隨著抽運過程的進行，粒子又從各能級被抽運到的子能級上。隨著粒子數的偏極化，透射再次變強。光抽運與感應磁共振躍遷達到一個動態(tài)平衡。光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個數量級，因此光抽運與磁共振的過程就可以連續(xù)地進行下去。也有類似的情況，只是D1光將抽運到基態(tài)的子能級上，在磁共振時又跳回到等能級上。射頻(場)頻率和外磁場(產生塞

11、曼分裂的) 兩者可以固定一個，改變另一個以滿足磁共振條件(10)。改變頻率稱為掃頻法(磁場固定)，改變磁場稱為掃場法(頻率固定)。五、光探測 投射到銣樣品泡上的D1光，一方面起光抽運作用，另一方面，透射光的強弱變化反映樣品物質的光抽運過程和磁共振過程的信息，用D1光照射銣樣品泡，并探測透過樣品泡的光強，就實現了光抽運磁共振光探測。在探測過程中射頻(106Hz)光子的信息轉換成了頻率高的光頻(1014 Hz)光子的信息，這就使信號功率提高了8個數量級。 樣品中和都存在，都能被D1光抽運而產生磁共振。為了分辨是。還是參與磁共振，可以根據它們的與偏極化有關能態(tài)的因子不同加以區(qū)分。對于，由基態(tài)中F=3

12、的態(tài)的因子可知，對于，由基態(tài)中F=2態(tài)的因子可知。4 實驗裝置實驗的總體裝置如圖37的方框圖所示。主體裝置如圖38所示。說明如下。 1光源為銣原子光譜燈。由高頻振蕩器(頻率約為5565 MHz)，控溫裝置(8090)及銣燈泡組成。銣燈泡在高頻電磁場的激勵下進行無極放電而發(fā)光，產生銣光譜，包括D1=7948A及D2=7800A光譜線。D2光譜線對光抽運過程有害，出光處裝一干涉濾光片，其中心波長為794850A，將D2線濾掉。 2產生平行的D1圓偏振光裝置。凸透鏡的焦距為77mm，是為調準直使用的。偏振片與40m厚的云母制成的1/4波片是為使D1線成為圓偏振光。 3主體中央為銣樣品泡及磁場線圈部分

13、。同位素比例為天然成分的銣和緩沖氣體充在一直徑為52mm的玻璃泡內，在銣樣品泡的兩側對稱放置一對小射頻線圈，它為銣原子磁共振躍遷提供射頻場。銣樣品泡和射頻線圈都置于圓柱形恒溫槽內，稱之為吸收池。槽內溫度在4060的范圍內連續(xù)可調。吸收池安放在兩對亥姆霍茲線圈的中心。一對豎直線圈產生的磁場用以抵消地磁場的豎直分量。另一對水平線圈有兩套繞組。一組在外，為產生水平直流磁場的線圈。另一組在內，為掃場線圈，掃場是在直流磁場上疊加的一個調制磁場(方波或三角波)。要注意，使銣原子的超精細結構能級發(fā)生塞曼分裂的是水平方向的總磁場。 4輔助電源。由實驗裝置方框圖可以看到。射頻信號是先輸入輔助電源，再由24芯電纜

14、將輔助電源與主體裝置聯接起來。射頻信號發(fā)生器(20k1MHz)可以指示射頻信號的頻率值，功率大小可以調節(jié)。輔助電源上附有測水平線圈與豎直線圈勵磁電流的電表，用以測水平場勵磁電流和豎直場勵磁電流等值(單位是安培A)。如圖39中有關部分所示。除射頻小線圈外，所有勵磁線圈都有一個極性換向開關和調節(jié)勵磁電流的旋鈕，它們裝在輔助電源的前面板上。池溫(ON，OFF)開關用于給吸收池加熱。當池溫和燈溫顯示燈亮時，說明池溫和燈溫已到工作溫度。方波和三角波開關以及掃場幅度旋鈕可用示波器觀察它們的功能。水平場、水平掃場以及垂直場換向開關的功能可由指南針檢驗。把指南針放在線圈中心位置，觀察調節(jié)換向開關后指南針的偏轉

15、，從而判斷各磁場方向與地磁場水平和垂直分量方向的關系。輔助電源后面板上有射頻信號功率輸入插孔和掃場信號輸出插孔(已接好)。 5聚光元件。凸透鏡，焦距為77mm。 6光電接收裝置。光電池作為光電接收元件，與放大器一起組成光檢測器。然后將光強信號輸出接到雙線示波器Y1通道。5 實驗任務和步驟一、儀器的調節(jié) 實驗受磁場影響很大，因此主體裝置附近要避開其他鐵磁性物質、強電磁場及大功率電源線等。 1為了作好實驗，應先用磁針確定地磁場方向。主體裝置的光軸要與地磁場水平方向相平行。 2接通DH807電源開關，按“池溫ON鍵(加溫銣樣品泡)。開示波器電源。用指南針確定水平場線圈、豎直場線圈及掃場線圈產生的各磁

16、場方向與地磁場水平和垂直方向的關系，并作詳細記錄。 3主體裝置的光學元件應調成等高共軸。調整準直透鏡以得到較好的平行光束，通過銣樣品泡并射到聚光透鏡上。因銣燈不是點光源，不能得到一個完全平行的光束，但仔細調節(jié)，再通過聚光透鏡即可使銣燈到光電池上的總光量為最大，便可得到良好的信號。 4電源接通約20分鐘后，燈溫燈亮，銣光譜燈點燃并發(fā)出紫紅色光。池溫燈亮，吸收池正常工作。 5調節(jié)偏振片及1/4波片，使1/4波片的光軸與偏振光偏振方向的夾角為以獲得圓偏振光。左旋圓偏振光把原子抽運到的能級，右旋圓偏振光把原子抽運到的能級。前面已述及。光沒有抽運作用。它是線偏振光，可視為強度相等的與的合成，兩種相反的抽

17、運作用全部抵消，沒有抽運效應。當入射光為圓偏振光時，抽運的效應最強。當入射光是橢圓偏振光時，兩種相反的抽運作用不會全部抵消，這時對入射光有吸收，也有抽運效應。因此在調光中一定要將D1光調成圓偏振光。寫出調節(jié)步驟和觀察到的現象。二、光抽運信號的觀察 銣樣品泡開始加上方波掃場的一瞬間，基態(tài)中各塞曼子能級上的粒子數接近熱平衡，即各子能級上的粒子數大致相等。因此這一瞬間有總粒子數7/8的粒子在吸收D1光，對光的吸收最強。隨著粒子逐漸被抽運到子能級上，能吸收的光粒子數減少，透過銣樣品泡的光逐漸增強。當抽運到子能級上的粒子數達到飽和時，透過銣樣品泡的光達到最大且不再變化。當磁場掃過零(指水平方向的總磁場為

18、零)然后反向時，各塞曼子能級跟隨著發(fā)生簡并隨即再分裂。能級簡并時銣原子分布由于碰撞等導致自旋方向混雜而失去了偏極化，所以重新分裂后各塞曼子能級上的粒子數又近似相等，對D1光的吸收又達到最大值，這樣就觀察到了光抽運信號，如圖3.10。 使用不同的掃場，加入或不加入豎直線圈磁場及水平線圈磁場，以及改變它們的勵磁電流大小和方向都將影響光抽運信號。在記錄光抽運信號時要將信號幅度調至最大，因此實驗中要求首先調出圖3.10中(b)所對應的信號，然后研究光抽運信號強度(峰峰值)與垂直線圈產生的磁場(大小和方向)的關系，作出它們之間的關系曲線。把光抽運信號強度最大處對應的垂直線圈產生的磁場固定(后面的實驗也要求這么做)，研究光抽運信號強度與水平線圈產生的磁場(大小和方向)的關系，作出它們之問的關系曲線。對上述兩條曲線作出解釋，并計算地磁場的垂直分量和估算地磁場的水平分量。最后調出圖3.10中所有信號，并且詳細記錄其條件和分析各光抽運信號的產生原因。三、磁共振信號的觀察 光抽運信號反映兩個能帶(分別由52S1/2和52P1./2分裂而形成)間的光學躍遷，磁共振信號則反映塞曼子能級之間的射頻躍遷。磁共振破壞了粒子分布的