銣原子的光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

銣原子的光泵磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘要：本實(shí)驗(yàn)利用光泵磁共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Rb原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的探測。用光探測的方法在示波器上觀察并記錄核磁共振時(shí)光抽運(yùn)信號(hào)，從而計(jì)算出了和的朗德g因子，并對(duì)地磁場進(jìn)行了測量。關(guān)鍵詞：光泵磁共振Rb原子光探測引言光泵，也成光抽運(yùn)，是借助于光輻射獲得原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)或塞曼能級(jí)間粒子數(shù)的非熱平衡分布的實(shí)驗(yàn)方法。光泵次共振技術(shù)是由法國物理學(xué)家卡斯特勒在1950年首創(chuàng)的。它的基本思想是利用光的抽運(yùn)效應(yīng)造成原子基態(tài)塞曼能級(jí)上粒子布居的偏極化，即偏離熱平衡時(shí)所遵循的波爾茲曼分布。然后利用磁共振效應(yīng)對(duì)這種偏極化布居進(jìn)行擾動(dòng)，使光的抽運(yùn)速率變化。通過對(duì)抽運(yùn)速率變化的探測來研究原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。光泵磁共振技術(shù)巧妙地利用了光探測的高靈敏度和磁共振的高分辨率，從而克服了磁共振信號(hào)弱的缺點(diǎn)，把探測靈敏度提高了七八個(gè)數(shù)量級(jí)。由于光磁共振在基礎(chǔ)物理研究、量子頻標(biāo)技術(shù)和弱磁場測定等方面都有著重要的應(yīng)用價(jià)值，因此卡斯特勒獲得了1966年的諾貝爾獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)原理Rb原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)能級(jí)Rb是堿金屬原子，其基態(tài)為。離5s能級(jí)最近的激發(fā)態(tài)是5p，此激發(fā)態(tài)是雙重態(tài)：和。電子由5p躍遷到5s所產(chǎn)生的光輻射是Rb原子主線系的第一條線，為雙線，其強(qiáng)度在Rb燈光譜中特別高，其中到躍遷產(chǎn)生的譜線稱為D1線，波長是794.8nm，而到躍遷產(chǎn)生的譜線稱為D1線，波長為780.nm。在核自旋I=0時(shí)，原子的價(jià)電子經(jīng)L-S耦合后總角動(dòng)量與原子總磁矩的關(guān)系為(1)但當(dāng)I0時(shí)，原子總角動(dòng)量還要考慮核的貢獻(xiàn)。設(shè)核自旋角動(dòng)量為，核磁矩為，和耦合成，于是有，耦合后總量子數(shù)。由于的，而的，因此，的基態(tài)；的基態(tài)。由量子數(shù)F標(biāo)定的能級(jí)稱為原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)。原子角動(dòng)量與總磁矩之間的關(guān)系為(2)在磁場中原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂，當(dāng)磁場較弱時(shí)為反常塞曼分裂，磁量子數(shù)，所以會(huì)產(chǎn)生2F+1個(gè)能級(jí)間距基本相等的塞曼子能級(jí)。如圖1所示。圖SEQ圖表\*ARABIC1銣原子能級(jí)圖圓偏振光對(duì)Rb原子的激發(fā)與光抽運(yùn)效應(yīng)當(dāng)電子在原子能級(jí)之間發(fā)生躍遷時(shí)，需滿足一定的條件，即原子和光子的總能量和總動(dòng)量要守恒。能量守恒要求光子能量與躍遷能級(jí)間的能量變化相等，而動(dòng)量守恒就要復(fù)雜得多，因?yàn)閯?dòng)量是矢量，在考慮動(dòng)量守恒時(shí)通常還需要考慮光的偏振狀態(tài)。左旋偏振光的自旋角動(dòng)量為，方向指向光的傳播方向；右旋偏振光的自旋角動(dòng)量為-，方向與光的傳播方向相反。所以電子在吸收左旋偏振光后，量子力學(xué)給出的躍遷選擇定則為圖SEQ圖表\*ARABIC2基態(tài)粒子吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)的過程及激發(fā)態(tài)粒子通過自發(fā)輻射回到基態(tài)各能級(jí)的過程87Rb的52Sl/2態(tài)及52Pl/2態(tài)的磁量子數(shù)mF最大值都是+2，當(dāng)入射光是(的角動(dòng)量是+h)時(shí)，由于只能產(chǎn)生的躍遷，基態(tài)子能級(jí)的粒子不能躍遷，即其躍遷幾率是零。由于的激發(fā)而躍遷到激發(fā)態(tài)52Pl/2的粒子可以通過自發(fā)輻射激回到基態(tài)當(dāng)原子經(jīng)歷無輻射躍遷過程從52Pl/2回到52Sl/2時(shí)，則粒子返回基態(tài)各子能級(jí)的幾率相等，這樣經(jīng)過若干循環(huán)之后,基態(tài)子能級(jí)上的粒子數(shù)就會(huì)大大增加,即大量粒子被“抽運(yùn)”到基態(tài)的的子能級(jí)上。這就是光抽運(yùn)效應(yīng)。各子能級(jí)上粒子數(shù)的這種不均勻分布叫做“偏極化”,光抽運(yùn)的目的就是要造成偏極化，有了偏極化就可以在子能級(jí)之間得到較強(qiáng)的磁共振信號(hào)。光有同樣的作用,它將大量的粒子拙運(yùn)到的子能級(jí)上。圖SEQ圖表\*ARABIC2基態(tài)粒子吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)的過程及激發(fā)態(tài)粒子通過自發(fā)輻射回到基態(tài)各能級(jí)的過程與對(duì)光抽運(yùn)有相反的作用。因此,當(dāng)入射光為線偏振光(等量與的混合)時(shí)，銣原子對(duì)光有強(qiáng)烈的吸收，但無光抽運(yùn)效應(yīng)；當(dāng)入射光為橢圓偏振光(不等量的與的混合)時(shí)，光抽運(yùn)效應(yīng)較困偏振光??；當(dāng)入射光為光(光的電場強(qiáng)度矢量與總磁場的方向平行)時(shí)，銣原子對(duì)光有強(qiáng)的吸收,但無光抽運(yùn)效應(yīng)。弛豫過程當(dāng)光抽運(yùn)使個(gè)別子能級(jí)上的粒子數(shù)大大增加時(shí)，系統(tǒng)處于非熱平衡狀態(tài)。系統(tǒng)由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)的過程叫弛豫過程。Rb原子系統(tǒng)中Rb原子與器壁碰撞是失去偏極化的主要原因，所以要充入適當(dāng)?shù)木彌_氣體分子，控制合適的溫度。塞曼子能級(jí)之間的磁共振在恒定磁場B0下，相鄰塞曼分裂能級(jí)間隔為當(dāng)圓頻率為的射頻場，并滿足共振條件（3）使相鄰磁能級(jí)之間發(fā)生躍遷，改變磁能級(jí)的粒子布居圖SEQ圖表\*ARABIC3磁共振過程塞曼子能級(jí)粒子數(shù)的變化當(dāng)發(fā)生磁共振時(shí)，對(duì)D1光的吸收大大增加。光探測發(fā)生磁共振時(shí)，樣品對(duì)D1線的光吸收強(qiáng)度發(fā)生改變，因此測量其透過樣品的光強(qiáng)變化，即可得到相關(guān)的磁共振信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁共振的光探測。實(shí)驗(yàn)儀器DH807光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置輔助源、DH807型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置電源、GOS-60150MHZ示波器、Rb原子核磁共振裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)首先利用光抽運(yùn)的辦法實(shí)現(xiàn)粒子分布的偏極化，然后加上水平掃描磁場以破壞粒子分布的偏極化從而觀測到光抽運(yùn)信號(hào)。在加一不變射頻場，用三角波進(jìn)行掃場，就會(huì)在示波器上觀察到光抽運(yùn)信號(hào)的變化從而觀測到磁共振的現(xiàn)象。此外，為了消除地磁場垂直分量的影響，放置一產(chǎn)生垂直磁場的亥姆霍茲線圈來抵消地磁場水平分量。實(shí)驗(yàn)條件恒溫、Rb原子核磁共振裝置處于黑暗之中表1亥姆霍茲參數(shù)表水平場掃場垂直場匝數(shù)250250100有效半徑0.23930.23600.1530電阻24.1423.7124.68溫度系數(shù)0.0980.100.096實(shí)驗(yàn)內(nèi)容=1\*GB2⑴消除地磁場垂直分量對(duì)信號(hào)的影響；=2\*GB2⑵觀察磁共振信號(hào)=3\*GB2⑶測量地磁場的大小數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析觀察光抽運(yùn)信號(hào)由于光抽運(yùn)進(jìn)行得非?？?，示波器上顯示的信號(hào)已經(jīng)是被抽運(yùn)的粒子數(shù)達(dá)到飽和的狀態(tài)了。所以要觀察到光抽運(yùn)信號(hào)，就要對(duì)光抽運(yùn)飽和進(jìn)行破壞。實(shí)驗(yàn)中將掃場線圈的輸出方式設(shè)為方波。這樣磁場在變化時(shí)經(jīng)歷“0”的那一點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)光抽運(yùn)的破壞。從而觀察到光抽運(yùn)信號(hào)。從圖上可以看出在磁場方向改變時(shí)，即方波反向時(shí)，光抽運(yùn)信號(hào)突然從最高點(diǎn)降為0，然后突然上升，這正是塞曼子能級(jí)發(fā)生的簡并及再分裂。觀察示波器上光抽運(yùn)信號(hào)，調(diào)整垂直磁場的大小，當(dāng)光抽運(yùn)信號(hào)最大時(shí)，可以認(rèn)為垂直方向的亥姆霍茲線圈的磁場抵消了地磁場。所以可以讀出地磁場的垂直分量為。觀察方法：=1\*GB3①水平掃場與地磁場水平分量反向，不加水平外磁場。=2\*GB3②水平掃場與地磁場水平分量同向，外加反向水平磁場。實(shí)驗(yàn)中觀察到了如下的圖形圖SEQ圖表\*ARABIC4掃描方式為方波時(shí)不同水平磁場下的光抽運(yùn)信號(hào)2，觀察核磁共振信號(hào)本實(shí)驗(yàn)中，保持射頻場的頻率不變，改變穩(wěn)恒磁場的大小得到共振信號(hào)。首先給樣品泡加上射頻場B，掃描信號(hào)選擇三角波輸出。現(xiàn)象：改變水平磁場的大小，在把水平磁場從0逐漸調(diào)大時(shí)，會(huì)在某一時(shí)刻觀察到一系列相同的磁共振信號(hào)，記錄此時(shí)的水平磁場大小。繼續(xù)調(diào)大，磁共振信號(hào)“分裂”成更多，會(huì)出現(xiàn)磁共振信號(hào)大小不等的情況，但仍是周期性的，然后又“合成”形成一系列較少的相同磁共振信號(hào)，再記錄此時(shí)水平磁場的大小。然后磁共振信號(hào)消失。繼續(xù)調(diào)大水平磁場，會(huì)出現(xiàn)與之前基本一樣的情況，同樣要記錄兩次磁共振時(shí)的水平磁場分量。再調(diào)大后，則再無磁共振信號(hào)。現(xiàn)象解釋：由于掃描方式為三角波，當(dāng)掃描到波峰或波谷時(shí)當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)一系列相同的磁共振喜好，根據(jù)三角波的性質(zhì)，在不是波峰或波谷的時(shí)候，信號(hào)時(shí)之間的間隔不同，但仍是周期性的。至于會(huì)出現(xiàn)兩次共振信號(hào)，是因?yàn)镽b原子有兩種同位素，根據(jù)公式（3），的更大，應(yīng)該先發(fā)生磁共振。數(shù)據(jù)處理方法：由于水平方向的磁場有射頻場，地磁場水平分量，外加水平磁場，以及掃描磁場和，通過改變掃場和水平場的方向來消除掃描磁場與地磁場水平分量。由于實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)值單位為A，所以我用進(jìn)行轉(zhuǎn)換。表2改變掃場和水平場方向時(shí)水平方向各磁場的關(guān)系掃場水平場較小水平磁場較大水平磁場正正①②正反③④反反⑤⑥反正⑦⑧由表中可以看出，利用①+②-③-④和⑦+⑧-⑤-⑥可以求出B0與外加水平磁場（測量值）的關(guān)系；利用①+②+⑤+⑥和③+④+⑦+⑧可以求出與外加水平磁場（測量值）的關(guān)系。即：（4）（5）表3發(fā)生磁共振時(shí)外加水平磁場的值掃場水平場水平磁場水平磁場水平磁場水平磁場單位：A單位：高斯單位A單位：高斯單位：A單位：高斯單位：A單位：高斯正正0.083=0.3900.131=0.6150.180=0.8450.229=1.075正反0.257=1.2060.305=1.4320.353=1.6570.403=1.892反反0.167=0.7840.215=1.0090.265=1.2440.314=1.474反正0.179=0.8400.227=1.0660.277=1.3000.325=1.526朗德g因子：利用公式（4）及公式（5）計(jì)算表4朗德g因子的測量值與理論值的比較測量值理論值誤差12平均值1.2%0.5100.5020.50612平均值1.4%0.3400.3350.338地磁場水平分量：利用公式（5）計(jì)算表SEQ圖表\*ARABIC5水平地磁場的測量值平均值（高斯）1（高斯）2（高斯）1（高斯）2（高斯）0.1900.1970.1830.19950.181結(jié)合前面測到的地磁場垂直分量，即0.182高斯，可得地磁場的大小為0.263高斯。誤差分析實(shí)驗(yàn)儀器本身的誤差，使得讀數(shù)不準(zhǔn)確；信號(hào)的不穩(wěn)定影響到觀測的準(zhǔn)確性