光磁共振实验讲义

1、 25P 12794.76nm780.0nmFig.1 铷原子精细结构的形成光磁共振讲义一、 讲课形式(时间安排40分钟理论及相关知识的讲述,15分钟仪器介绍及操作演示。 二、 教学要求1 通过研究铷原子基态的光磁共振,加深对原子超精细结构的认识;2 掌握光磁共振的实验技术;3 测定铷原子的g 因子和测定地磁场。 三、 实验原理 1.概念介绍1 光抽运(光泵:利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态,造成期望集居数差,它基于光和原子间的相互作用。2 如何提高探测灵敏度:采用光探测,探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法(直接探测原子对射频量子的吸收,因光量子能量比射频量子能量

2、高几个数量级,因而大大提高探测灵敏度。 3 光磁共振:是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术,加深了人们对原子磁矩、 因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。2.铷原子的能级分裂(精细结构的形成1 研究对象:铷(Rb 的气态自由原子,价电子处于第五电子层,主量子数n=5,轨道量子数L=0,1,n-1,电子自旋量子数S=1/22 原子精细结构的形成:由电子的自旋与轨道运动相互作用(L-S 耦合发生能级分裂3 铷原子基态与最低激发态的形成:用J表示电子总角动量量子数,J=L+S,L+S-1,|L-S|4 对于基态,L=0,S=1/2

3、,得J=1/2,标记为21/25S ;对于最低激发态,L=1,S=1/2,得J=3/2,1/2,标记为223/21/25,5P P ,如右图所示,形成两条谱线。3.朗德因子的引入电子轨道角动量L P 和自旋角动量S P的合成角动量J L S P P P =+电子总磁矩J u两者关系为 2J JJeu g P m= 其中 (1(1(112(1J J J L L S S g J J +-+=+4.原子超精细结构的形成由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。核的自旋量子数表示为I ,铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为:8785(27.85%,3/2(72.15%,5/2Rb I Rb I =核的自旋角动

4、量表示为I P,得原子总角动量:F I J P P P =+其中F 用来表示原子总角动量量子数,F=I+J,|I-J|。5.塞曼子能级的形成原子处于弱磁场中,由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂,Fig.2 铷原子超精细结构的形成23/25P 21/25P 21/25S 2F =1F =1F =2F =87851/2,2,1 ,3/2,3/2,3,2,1,01/2,2,1 ,5/2,3/2,4,2,1,0JF Rb I J F JF Rb I JF =基态基态2F FF e u g P m=(1(1(12(1F IF F J J I I g g F F +-+=+形成塞曼子能级。这些

5、能级用磁量子数来表示,1,.,F M F F F =-,能级间距相同。F u和B 相互作用能表示如下:F F F B E u B g M B=-=能级间距为:F B E g B = 其中B 为玻尔磁子。6.圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应将角动量为+ 的左旋圆偏振光照射到气态原子87Rb 后,根据光跃迁选择定则,基态中2F M =+能级上的粒子数会越来越多,形成粒子数偏极化。 高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。 7.驰豫时间粒子分布由非平衡状态(粒子数偏极化到平衡状态(玻尔兹曼分布所需的时间。本实验中,在样品泡中加入少量分子磁矩较小的缓冲气体(如氮、氖等避免铷原子与容器壁碰撞而使

6、粒子失去偏极化。另外将温度保持在50到60摄氏度之间,尽量减小铷原子与容器壁的碰撞。 8.塞曼能级间磁共振在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一频率为的射频磁场,当满足B h g B =时发生磁共振,如此,粒子的偏极化程度降低,再次发生光抽运,最终形成光抽运与磁共振的动态平衡。 9.光探测照射到样品上的偏振光,起到了两个作用。一是产生光抽运效应;二可以通过测量透射光强得到磁共振信号。当各能级上的粒子数相同时,样品对偏振光吸收最强,透射光最弱;当粒子数偏极化强度最强时,透射光最强。这里通过透射光强的变化来得到磁共振信号,提高了测量灵敏度。Fig.3 铷原子塞曼子能级的形成23/25P 21/25P

7、 21/25S 1F =2F =2F =1F =FM +20-10+10-2-10+19.以下为实验装置图 Fig.4 光磁共振实验装置图四、实验操作步骤及注意事项1. 实验仪器调节(1在实验装置通电之前,进行主体单元光路的机械调整(参见DH807A型技术说明书,达到实验要求。(2按下“预热”键,将加热铷灯温度达到90并控温(约30分钟温度稳定,同时加热样品吸收池约50并控温,然后按下“工作键”,此时铷灯应发出玫瑰紫色光信号。(3在主体单元光路的机械调整基础上,检查光源,透镜,吸收池,光电探测器等元器件的位置是否调到准直,调节前后透镜的位置使到达光电池的光量是否最大。(4调整双踪示波器处于工作

8、状态,建议用一通道观察扫描电压波形,二通道观察光电探测器的信号。2.观察光抽运信号(1观察光抽运信号时,应观察地磁场的影响。可以先用指南针判断扫场,水平场,垂直场相对于地磁场的方向。如过水平,垂直磁场为零,扫场与地磁场方向相反等(注意不开射频振荡器时,扫场选择方波,将方波加到扫场线圈上,产生12高斯磁场。当判断某一场时应将另两个场置于零,判断水平磁场和垂直磁场时,注意记下数字电压表对应电压的数字。 (2 使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反(注意调节扫场的方向和大小,特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大的影响,因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消,应旋转偏振片,改变它与1/4波片的相对

9、方位,同时改变垂直场的方向和幅度使它抵消地磁场垂直分量,可获得光抽运信号最大,如图5所示。实验中要注意观察在刚加上磁场瞬间的光强变化,开始时各塞曼能级上的粒子数相等,铷原子样品池对D1线吸收最强,随着粒子被抽运到磁量子数MF =+2上,对D1线光吸收减弱,透射光强逐渐加强。当MF =+2上的粒子数饱和时,透射光强达到最大值且不再变化,当磁场降到零后并反向,塞曼能级由分裂到简并到再分裂等过程。 Fig.5 光抽运信号3.观察光磁共振信号 (1测量朗德F g 因子扫场采用三角波,方向置于与地磁场水平分量相同德方位上,并使水平磁场调到某一个确定值。由磁共振条件得到: Hh g B F =调节射频频率

10、产生磁共振,由示波器确定或由频率计给出。从上式中可以看出,如知H 便可求出F g ,H 是使原子塞曼分裂的总磁场(包括水平场,地磁水平分量,扫场直流分量。实验中,可以这样考虑,先确定1(1与1H 对应,tg = H H / 4注意事项 （1）由于实验是在弱磁场中进行，为了确保测量地准确性，实验装置中的 主体单元一定要远离其它带有强地磁场，大功率电源线和带有电磁性物体。磁 场方向判断后，务必取出指南针。另外主体单元应罩上黑布，可避免外界杂散 光进入光电探测器。注意尽量将装置的光轴尽量调节得与地磁场水平方向一 致。 （2）在精密测量的实验中，为避免铷原子吸收池加热丝所产生的剩余磁场影 响，可采取在短时间内关掉吸收池加热电源。 （3）采用光泵技术制成的光泵磁强计测量弱磁场，测量方法同测地磁类似。 由共振条件，对 Rb87 样品可算得： H = 1.4273 × 10 4 （特斯拉） 对 Rb85 样品可算得： H = 2.1409 × 10 4 （特斯拉） 对于亥姆霍兹轴线中心处的磁场用下式计算 H= 16 NV × 10 7 T 3 rR 5 式中 N 为线圈每边匝数，V 为加在线圈上的电压，r 为线圈有效半径，R 为线圈 线绕电阻。 五、数据处理要求 1要求计算地磁场的大小 2要求计算铷原子的 g 因子并计算相对误差 六、思考、创意、拓展 思考、创意