光磁共振实验报告.doc

光磁共振实验报告11180226 艾孜买提江艾沙江摘要：本实验以光抽运的方法来研究气态原子基态及激发态的精细结构和超精细结构塞曼能级间的磁共振。在加深对原子超精细结构的理解的基础上，使用DH807A型光磁共振实验装置观察光抽运信号，以此来测定铷原子(Rb85，Rb87)的超精细结构塞曼子能级的朗德g因子。关键词：光抽运、塞曼分裂、铷原子、偏极化引言： 波谱学方法利用物质的微波或射频共振，来研究原子的精细、超精细结构以及在外加磁场中分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学有更高的分辨率。1950年法国物理学家A.Kastler等人提出光抽运技术，提高了探测信号的灵敏度。这种光轴运磁共振光探测技术，其灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。这种方法很快就发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。为此，kastler荣获了1966年度的诺贝物理奖。一.实验原理1.铷原子基态及最低激发态的能级结构及塞曼分裂 铷原子的电子进行LS耦合，产生精细结构。基态：L=0，S=J=1/2；第一激发态：L=1，S=J=1/2跃迁的谱线见书，不赘述。由于铷原子核自旋I不为0，核自旋角动量和电子的总角动量再进行JJ耦合，产生基态为F=1和F=2的超精细结构。在磁场中，原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，分裂后能级磁量子数由-F到F共2F+1个能级间隔基本相等的塞曼子能级。2.光抽运效应 一般情况下，即热平衡状态下的铷原子遵从Boltzmann分布，如果用射频电磁场诱导子能级间共振跃迁，由于塞曼能级的能量差非常小，很难检测到原子的这种磁共振跃迁。如果用圆偏振光激发铷原子，就能使塞曼能级间的粒子数差比Boltzmann分布形成的粒子数差大几个数量级，造成铷原子的偏极化。光抽运即用左旋偏振光照射气态铷原子，根据光的选择定则，基态中能级上的粒子会越来越多，形成粒子数的偏极化。当使用右旋偏振光照射样品时，那么会产生相反的效果，所以不能使用线偏光(等量左旋偏振光和右旋振偏光的叠加)进行实验；使用椭圆偏振光(不等量左旋偏振光和右旋振偏光的叠加)、Pi光亦不能产生抽运效应。亦必须考虑弛豫过程，即：(1)铷原子和容器壁的碰撞；(2)铷原子之间的碰撞。这二者均会使得铷原子失去偏极化效果，所以要充入缓冲气体，以增加弛豫过程。3.塞曼子能级之间的磁共振和光探测在样品上垂直于恒定磁场加一射频场，如果频率满足共振条件，铷原子基态超精细塞曼子能级间会发生感应磁跃迁，由于光抽运效应的存在，铷原子又会回到磁量子数为2的子能级上，于是感应磁跃迁与光抽运效应达到一种平衡。由于共振时对D1光的吸收增加，所以可以通过对透射光强变化的测量得到磁共振信号，实现了磁共振的光测探。二、实验仪器由主体单元(铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈)、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。三实验方法1仪器的调节在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。再用指南针确定地磁场方向，主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。用指南针确定水平场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系，并作详细记录。将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下辅助源的池温开关，接通电源开关。开射频信号发生器、示波器电源。电源接通约三十分钟后，铷光谱灯点燃并发出紫红色光，池温灯亮，吸收池正常工作，实验装置进入工作状态。主体装置的光学元件应调成等高共轴。调整准直透镜以得到较好的平行光束，通过铷样品泡并射到聚光透镜上。铷灯因不是点光源，不能得到一个完全平行的光束，但仔细调节，在通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大，便可得到良好的信号。调节偏振片及1/4波片，使1/4波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为/4以获得圆偏振光。写出调节步骤和观察到的现象。2光抽运信号的观察扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，设置扫场方向与地磁场方向相反，然后拿开指南针。预置 垂直场电流为0.07A左右。用来抵消地磁场分量。然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。光抽运信号波形扫场波形图1（扫场波形中要加电场为零的纵轴线）铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。 因此这一瞬间有总粒子数7/8的粒子在吸收光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到MF=+2子能级上，能吸收+的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到MF=+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零（指水平方向的总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号，如图13.磁共振信号的观察扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.7A左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针判断)。垂直场的大小和偏振镜的角度保持前面的状态不变。调节射频信号发生器，频率可以观察到共振信号如图2，对应波形，可读出频率及对应的水平场电流I。再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。同样可以得到。这样水平磁场所对应的频率为,即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。用三角波扫场法观察磁共振信号时，当磁场值与射频频率满足共振条件式时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的光抽运。因此，对于确定的频率，改变磁场值可以获得Rb87或Rb85的磁共振。可得到磁共振信号的图像。对于确定的磁场值（例如三角波中的某一场值），改变频率同样可以获得Rb87或Rb85的磁共振。实验中要求在选择适当频率（600KHz）及场强的条件下，观察铷原子两种同位素的共振信号并详细记录所有参量。4测量gF因子 为了研究原子的超精细结构，测准gF因子时很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心处的磁感强度为式中N为线圈匝数，r为线圈有效半径（米）， I为直流电流（安）。B为磁感强度（特斯拉），式hv= gFuBB？中，普朗克常数h=6.62610-34焦耳秒，玻尔磁子uB=9.27410-24焦耳/特斯拉。利用两式可以测出gF因子值。要注意，引起塞曼能级分裂的磁场是水平方向的总磁场(地磁场的竖上分量已抵消)，可视为B=B水平+ B地+ B扫，而B地、B扫的直流部分和可能还有的其它杂散磁场，所有这些都难以测定。这样给直接测量gF因子带来困难，但只要参考霍尔效应实验中用过的换向方法，就不难解决了。测量gF因子实验的步骤自己拟定。有实验测量的结果计算出Rb87或Rb85的gF因子值。计算理论值并与测量值进行比较。四实验数据 I1（平均）I2（平均）gF1gF2f=6000.1350.23