光泵磁共振.doc

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 光泵磁共振【实验目的】1观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。2观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。3学会利用光磁共振的方法测量地磁场。【实验原理】一. 铷原子基态和最低激发态的能级天然铷的同位素有两种：87Rb，85Rb。基态轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量量子数J=1/2，它们的基态都是52S1/2。在LS耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，因而最低激发态形成双重态：52P1/2和52P3/2。二. 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应 原子吸收光产生塞曼能级间的跃迁满足能量守恒关 （B7-1）式中是光的频率，是初、终态的能量差。此外，原子在能级间的跃迁还要满足选择定则 ；其中光为电场矢量绕磁场方向左旋的圆偏振光，光为电场矢量绕磁场方向右旋的圆图B7-1 87Rb原子对D1+光的吸收和退激跃迁偏振光，为电场矢量与磁场方向平行的线偏振光。实验中，对铷光源进行滤光和变换，只让D1光通过并照射到产生塞曼分裂的铷原子蒸气上，铷原子将对D1光产生吸收而发生能级间的跃迁。以87Rb为例说明一下磁场环境中原子对D1光的吸收跃迁，如图B7-1所示。 退激跃迁中有一部分原子的状态成为5S能级中的MF=+2态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P去的，那些回到其它7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P能级。当光连续照着，跃迁5S5P5S5P这样的过程就会持续下去，5S态中MF=+2子能级上的原子数就会越积越多，其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D1光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，此时透过87Rb蒸汽的光强达到最大。三. 弛豫过程光抽运使能级之间的粒子数差大大增加，使系统远远偏离热平衡状态，造成偏极化。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。四. 光泵磁共振跃迁光抽运过程使铷原子造成偏极化后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一s射频振荡的旋转磁场，并调节射频频率，使之满足 （B7-2）塞曼子能级之间将会发生磁共振（跃迁选择定则为）。以87Rb为例，在射频场的扰动下，处于MF=+2子能级上的原子会跃迁到MF=+1的子能级，MF=+1能级上的原子会跃迁到MF=0子能级，MF=0能级上的原子会跃迁到MF=1子能级，。如此下去，铷原子在5S态的5个塞曼子能级又达到几乎均匀分布。由于D1光持续照射，因而光吸收过程重又开始，透过恒温槽的光强又降低。跃迁到5P态的原子又会发生退激跃迁而回到5S态。由于此时MF=+2子能级上的原子不能久留，所以，光跃迁不会造成新的偏极化。五. 光探测图B7-2 “光抽运”信号与弛豫过程照射到样品上的D1光一方面起到光抽运作用，另一方面实验中探测的是透过恒温槽的光强，这样入射到恒温槽上的光起到了光抽运与光探测两个作用。当发生光抽运和光泵磁共振时，伴随有铷原子对D1光吸收的变化，因此透过样品的D1光的光强发生变化，这样探测透过恒温槽的光强可得到光抽运信号和光泵磁共振信号，这就实现了光泵磁共振的光探测。六. 光抽运信号的观察设置水平场为零，扫场方式选择“方波”，并使扫场方向与地磁场水平分量方向相反，调节扫场幅度，在示波器上可观察到如图B7-2所示的光抽运信号。【实验装置】实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成。主体单元示意图见图B7-2。图B7-3 主体单元示意图【实验内容】 一观测光抽运信号（1）将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，射频信号发生器“幅度调节”旋钮调至最小，接通主电源开关和池温开关，约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。（2) 调节“水平场”旋钮，调节水平磁场线圈电流的大小在0.20A以下，将指南针置于吸收池上边，判断水平磁场和地磁场的方向关系，改变水平场的方向，使水平场方向与地磁场水平方向相反，然后将指南针拿开，并且将水平磁场线圈电流调至最小。（3）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，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。（4）预置垂直场电流为0.07A，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。二观测光磁共振信号（1）扫场方式选择“三角波”，幅度保持1状态，设置水平磁场方向、扫场方向和地磁场水平分量相同，垂直场的大小和方向保持1状态，调节射频信号发生器“幅度调节”旋钮，使射频信号峰峰值在4.5V。在水平场电流分别为0.24A，0.20A和0.18A时，调节射频信号发生器频率，观察共振信号，读出对应的频率1。（2）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。仍用上述方法，可得到2，利用公式（B7-8）可求出gF因子。三测量地磁场1. 测量gF因子扫场方式选择“三角波”，并使水平场BDC、扫场BS与地磁场水平分量Be/三者方向相同。调节射频信号发生器的频率，可在示波器上观察到磁共振信号。调节射频频率将磁共振信号调到与三角波扫场的峰值对应处，如图B7-4（a）所示，此时的射频频率1与三个磁场的关系满足磁共振关系式光泵磁共振信号光泵磁共振信号 （B7-3）(a) (b) 图B7-4 光泵磁共振信号再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量方向相反，调节射频频率，观察磁共振信号。将磁共振信号条件到如图B7-4（b）所示波形，即磁共振信号与扫场的峰值相对应，记下相应的射频频率2。此时 （B7-4）由（B7-6）、（B7-7）式得 （B7-5）其中水平场BDC可以通过水平场线圈电流I来计算（亥姆霍兹线圈公式） （T） （B7-6）式中N和r是两个水平线圈的匝数和有效半径。对87Rb和85Rb，光泵磁共振发生时，基态52S1/2上F分别为2（87Rb）和3（85Rb）、磁量子数MF为+2（87Rb）和+3（85Rb）的塞曼子能级上的原子向相邻能级跃迁，因而两种原子的gF因子之比为 （B7-7）因而射频频率大的信号对应于87Rb原子，射频频率小的信号对应于85Rb原子。2. 测量地磁场在光泵磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量Be的值，这为光泵磁共振提供了另一个应用。与测量gF因子的方法类似，先使扫场、水平场与地磁场水平分量三者方向相同，调节射频信号发生器的频率，可在示波器上观察到磁共振信号。调节射频频率将磁共振信号调到与三角波扫场的峰值对应处，测得同1（1=1），如图B7-5（a）所示。此时的射频频率1与三个磁场的关系满足磁共振关系式 （B7-8）光泵磁共振信号(b)光泵磁共振信号(a)图B7-5 光泵磁共振信号 之后，同时改变扫场以及水平场方向，使其与地磁场水平分量方向相反，调节射频频率将磁共振信号调到与三角波扫场的谷值对应处，测得2，如图B7-5（b）所示。此时的射频频率2与三个磁场的关系满足磁共振关系式) （B7-9）这样可得地磁场水平分量为 （B7-10） 因为垂直磁场正好抵消了地磁场的垂直分量，因而从数字表头指示的垂直场电流及亥姆霍兹线圈的参数，可以确定地磁场垂直分量的数值 （T） （B7-11）式中N和r是两个垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径，I是垂直场线圈电流。则地磁场大小为 （B7-12） （1）同测gF因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得1； （2）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到3。这样由（B7-10）式可得地磁场水平分量。 （3）垂直磁场由下式计算 = （T） （B7-13）式中N和r是两个垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的I值是流过单个线圈的电流。根据=（+）1/2可得到地磁场的大小。表B7-1 仪器线圈参数水平场扫场垂直场线圈每边匝数N250250100线圈有效半径r0.2388m0.2420m0.1530m【注意事项】1在观察光抽运信号时，调节扫场幅度，将抽运信号调节到等高，调好后，固定扫场幅度。2在实验过程中应注意区分87Rb、85Rb的共振信号，当水平磁场不变时，频率高的为87Rb共振谱线，频率低的为85Rb的共振谱线。当射频频率不变时，水平磁场大的为85Rb的共振谱线，水平磁场小的为87Rb的共振谱线。3为避免杂散光影响信号的幅度及波形，主体单元应当罩上遮光罩。 4在实验过程中，本装置主体单元一定要避开其它铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线。【数据记录及处理】一观测光抽运信号图一 光抽运信号1、 gF的测量表B7-2 测量gF数据表水平场电流(A)同向频率1(kHz)反向频率2(kHz)BDC(T)gF=h(1+2)/2BBDCgF平均值87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb87Rb85Rb0.241201.4798.30396.66266.6811.310-5 0.5060.3370.5080.3370.201066.3703.70269.67183.499.4110-50.5080.3370.18999.58662.38208.24139.328.4710-50.5100.338（1） 根据 （T） I=0.24A时， ；I=0.20A时，；I=0.18A时， 。（2） 根据 87Rb 当I=0.24A时， 同理可求其他值；85Rb 当I=0.24A时， 同理可求其他值；为理论值，实际测量值为；相对误差。测量值与理论值十分接近。 实现光泵磁共振过程中要注意设备的调节，要记得打开垂直场，并将垂直场电流调节到0.07A，如果不打开垂直场，将不能得到试验中要求的图像和数据。那是因为公式 中多出了一项Be，所以1，2变大了，2变小了。最后gF，Be得到的值都不准确，增大了实验误差。（图三为没有打开垂直场时测得的数据）2、地磁场的测量表B7-3 测量地磁场数据表水平场电流(A)反向频率3(kHz)=h(1-3)/2gFB（T）平均值（T）87Rb85Rb87Rb85Rb3.4410-50.24705.98472.903.4910-53.4510-50.20573.53385.743.4710-53.3.710-50.18509.78342.823.4510-53.3910-5（1）地磁场水平分量的测量根据= （T）87Rb 当I=0.24A时，同理可求其他值；85Rb 当I=0.24A时，同理可求其他值。（2） 地磁场的测量根据 = （T）；再根据=（+）1/2【思考题】1. 光抽运的物理过程如何？造成什么后果？答：在方波刚加上的瞬间，样品泡内铷原子5S态的8个子能级上的原子数近似相等，即每个子能级上的原子数各占总原子数的1/8，因此，将有7/8的原子能够吸收D1光，此时对光的吸收最强，探测器上接收的光信号最弱。随着原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，能够吸收D1光的原子数逐渐减少，透过样品泡的光逐渐增强。当“抽运”到MF=+2子能级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。2. 方波扫场、水平场在光抽运过程中起什么作用？对方波扫场和水平场的方向、振幅有何要求？答：方波扫场提供一个周期性的磁场，使光抽运周期性发生。水平场抵消地磁场的水平分量。方波扫场方向周期性变化，振幅要能在示波器上完整显示。水平磁场