光磁共振实验报告

1、精选文档一、试验目的 1把握光抽运-磁共振-光检测的试验原理及试验方法； 2争辩原子，分子能级的超精细结构； 3测定铷原子同位素87Rb和85Rb的郎德因子g，测定电磁场的水平重量。二、试验原理：1铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z=37）是一价金属元素，自然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占7215%。它们的基态都是52S1/2。图B4-1 Rb原子精细结构的形成在LS耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，如图B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm和

2、780.0nm。通过LS耦合形成了电子的总角动量PJ，与此相联系的核外电子的总磁矩为 （B4-1）式中 （B4-2）是有名的朗德因子，me是电子质量，e是电子电量。原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量和核外电子的角动量耦合成一个更大的角动量，用符号 表示，其量子数用F表示，则 （B4-3） 与此角动量相关的原子总磁矩为 （B4-4） 式中 （B4-5）是对应于与关系的朗德因子。在有外静磁场B的状况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量 （B4-6）其中称为玻尔磁子，是在外场方向上重量的量子数，共有2F1个值。可以看到，原子在磁场中的附加能量E随变化，原来对简并的能级发

3、生分裂，称为超精细结构，一个F能级分裂成2F1个子能级，相邻的子能级的能量差 （B4-7）再来看一下具体的分裂状况。87Rb的核自旋，85Rb的核自旋，因此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例，介绍超精细分裂的状况，可以对比理解85Rb的分裂。 图B4-2 原子能级超精细分裂 原子在磁场中的超精细分裂状况如图B4-2所示。由于试验中D2线被滤掉，所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。2光磁共振跃迁试验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让D1+光（左旋圆偏振光）通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对D1+光产生吸取而发生能级间的跃迁。需要指出的是（1）从常温对应的

4、能量kBT来衡量，超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，依据玻尔兹曼分布 （B4-8）由52S1/2分裂出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。（2）假如考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的D1+光实际包含了连续频率的光，这些光使得D1线有肯定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸取供应了丰富的谱线。处于磁场环境中的铷原子对D1+光的吸取遵守如下的选择定则 ； 依据这一选择定则可以画出吸取跃迁图，如图B4-3所示。图B4-3 87Rb原子对D1+光的吸取和退激跃迁可以看到，跃迁选择定则是 ； 跃迁见图B4-3的右半部分

5、。当光连续照着，跃迁5S5P5S5P这样的过程就会持续下去。这样，5S态中子能级上的原子数就会越积越多，而其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D1+光的吸取越来越弱，最终，差不多全部的原子都跃迁到了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取光，这时间强测量值不再发生变化。通过以上的分析可以得出这样的结论：在没有D1+光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当D1+光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，消灭了“粒子数反转”的现象（偏极化）。在“粒子数反转”后，假如在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射

6、频振荡的磁场，并且调整射频频率，使之满足 （B4-9）这时将消灭“射频受激辐射”，光吸取过程重又开头，光强测量值又降低。跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时MF=+2子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。在加入了周期性的“扫场”磁场以后，总磁场为Btotal=BDC+BS+ （B4-10）其中BDC是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场，方向在水平方向，是地球磁场的水平重量，这两部分在试验中不变。BS 是周期性的“扫场”磁场，也是水平方向的。地球磁场的垂直重量被一对线圈

7、的磁场所抵消。当光磁共振发生时，满足量子条件 （B4-11）通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可能观看不到共振信号。调整射频的频率，又可以看到共振信号，并调到如图B4-7所示的状态，登记射频的频率2，则有如下的量子条件成立 （B4-12）由（B4-11）、（B4-12）式得 （B4-13）直流磁场BDC可以通过读出两个并联线圈的电流之和I来计算（亥姆霍兹线圈公式） （T） （B4-14）式中N和是两个水平线圈的匝数和有效半径，由于两个线圈是并联的，数字表显示的值是流过两个线圈的电流之和。图B4-7 光磁共振信号图像以上介绍的是针对样品只存在一种原子的状况，事实上，样品中同时存在87

8、Rb和85Rb，所以，一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振信号，当转变射频信号频率时二者是交替消灭的。对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其gF因子。要留意，gF因子的值不仅与原子有关，而且还与量子数F的值有关。不难看出，这里测量的是87Rb的5S态中F=2的gF因子，而对于85Rb来讲，测量的是F=3的gF因子。两种原子的gF因子之比为 （B4-15）上式为推断共振信号是哪一种原子引起的供应了依据。3利用光磁共振测量地磁场的水平重量在光磁共振试验中，还能测量到地球磁场的水平重量的值，这为光磁共振供应了另一个应用。方法如下：在测量出gF因子之后，在（B4-11）式的基

9、础上，同时将BDC和BS倒向，调整射频信号频率至3，消灭如图B4-8所示的信号，则有如下量子条件成立 （B4-16）由（B4-11）式加（B4-16）式得= （B4-17）图B4-8 测量地磁场水平重量时间磁共振信号图像四、试验仪器： DH807A型光磁共振试验仪四、试验数据处理：1、 观看光抽运信号依据试验要求进行仪器的调整，通过指南针可以推断，水平场按钮按下去时水平场与地磁场水平重量同向，弹出时水平场与地磁场水平重量反向；扫场按钮按下去时扫场与地磁场水平重量反向，弹出时扫场与地磁场水平重量同向。进而调整扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。2、 观测光磁共振信号电流(A)0.20.2250.25

10、0.2750.30.3250.350.3750.40.425同向kHz960104011301200128013601450153016101690反向kHz3204104805506407408108909701050 可求出gF因子。仪器参数项目名称水平场扫场垂直场线圈每边匝数N250250100线圈有效半径r0.2406m0.2420m0.1530m ，N和为两个水平线圈的匝数和有效半径，为流过两个线圈的电流之和得：a=gf*bh,可得gf=ahb;gf=0.500124由试验原理知理论值为误差为Er=0.500124-0.50.5×100%=0.0248%其中b=-12082

11、，且依据公式=ba得=1.726*10E-63误差分析： 数据较为精确可能会造成误差的因素有：外界磁场的影响，仪器并未充分预热测量时电流并不精确精确度不够外界光源通过遮光的布空隙透进等五：习题一、试验预习：1.导轨上各个元件的作用 自然铷和惰性气体在小泡内，两侧放置射频线圈供应射频磁场。中间位恒温槽，称为吸取池。槽内温度55度。垂直磁场线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直重量。水平磁场线圈两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。另一组为扫场线圈，使直流磁场叠加一个调制磁场。铷光谱灯作为抽运光源。准直透镜使光平行过小泡。会聚透镜使光汇聚到光电池上。干涉滤光镜选出D1光。偏振片和1/4玻片使光成为左旋圆偏振光。2.射频场的作用是 用射频电磁场作用使之发生磁共振，用光探测原子对入射光的吸取，从而获得光泵磁共振信号。3.为什么要将D1线转变成左旋圆偏振光 由于分裂的塞曼能级间的能量差很小，可以认为原子在塞曼能级上是的分裂是均匀的所以光磁共振要用铷光谱灯产生的