光磁共振实验报告

1、一、实验目得1. 掌握光抽运-磁共振-光检测得实验原理及实验方法；2. 研究原子，分子能级得超精细结构；3. 测定钏原子同位素8砒仃85Rb得郎徳因子g,测定电磁场得水平分量。二、实验原理：1 做原子基态与最低激发态得能级钿(237)就是一价金属元素，天然钏中含量大得同位素有两种疔Rb,占27、 85 %与''Rb,占72. 15%。它们得基态都就是5%“。在Z常合下，形成双重态:虧匕与 知3 2,这两个状态得能量不相等,产生精 细分裂。因此，从分到肉得跃迁产生双线，分别称为D与D,线，如图B4T所示，它 们得波长分别就是794、76nm与780、Onin。式中通过Z粥合形成了

2、电子得总角动量£,与此相联系得核外电子得总磁矩为 (B4-1)图B4-1 Rb原子精细结构得形成(B4-2)就是著名得朗德因子，皿就是电子质量,e就是电子电量。原子核也有自旋与磁矩，核自旋量子数用盛示。核角动量与核外电子得角动 量耦合成一个更大得角动量，用符号表示，其量子数用咸示，则(B4-3)与此角动量相关得原子总磁矩为(B4-4)式中(B4-5)就是对应于与关系得朗徳因子。在有外静磁场E得悄况下，总磁矩将与外场相互作 用，使原子产生附加得能量(B4-6)其中称为玻尔磁子，就是在外场方向上分量得量子数，共有25+1个值。可以瞧到, 原子在磁场中得附加能量触变化,原来对简并得能级发生

3、分裂，称为超精细结构, 一个用笆级分裂成25+1个子能级，相邻得子能级得能量差(B4-7)再来瞧一下具体得分裂悄况。Rb得核自旋rRb得核自旋，因此，两种原子得 超精细分裂将不同。这里以s'Rb为例，介绍超精细分裂得悄况,可以对照理解s'Rb 得分裂。5S5'Sw«阳S代JLS*舍图 B4-2F=3/2/j<-、一 F*应a<5并构5说6场下j-ntg8 量甘 b原子能级超精细分裂«1 *2 +10-1-2-10+1*2 40 -1 2-10*1原子在磁场中得超精细分裂悄况如图B4-2所示。山于实验中几线被滤掉，所涉 及得5沖3 ：态得耦

4、合分裂也就不用考虑。2. 光磁共振跃迁实验中已对御光源进行了滤光与变换，只让Di。.光(左旋圆偏振光)通过并照 射到产生超精细分裂得钿原子蒸气上，钿蒸气将对D, 0光产生吸收而发生能级间 得跃迁。需要指出得就是(1) 从常温对应得能量匕7来衡量，超精细分裂与之后得塞曼分裂得裂距都就 是很小得，根据玻尔兹曼分布(B4-8)III 5=Sx，=分裂出得8条子能级上得原子数应接近均匀分布；同样，E1I匕分裂出得8条子能级上得原子数也接近均匀分布。(2) 如果考虑到热运动造成得多普勒效应，御光源发出得D,。*光实际包含了 连续频率得光，这些光使得m线有一定得宽度，同时也为御蒸气可能进行得各种 吸收提供

5、了丰S得谱线。处于磁场环境中得钿原子对D0 光得吸收遵守如下得选择定则 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图B4-3所示。丄4bJb+1-bJ04Jb1、Jbcz-1Jbn4bJk-tihJq八q八F q1 2+1八八尸八n、-F q Fu1、n八r-2r-1八八 'r八0-, 八'+1F=2/ ftF=2/5%/、ft图B4-3 8'Rb原子对Dn -光得吸收与退激跃迁 可以瞧到，跃迁选择定则就是跃迁见图B4-3得右半部分。当光连续照着，跃迁5S5P5S5P"-这样得过程就会持续 下去。这样,5S态中子能级上得原子数就会越积越多，而其余7个子能级上得原子

6、 数越来越少，相应地，对D 0 光得吸收越来越弱，最后，差不多所有得原子都跃迁 到了 5S态得必=+2得子能级上，其余7个子能级上得原子数少到以至于没有儿率 吸收光，这时光强测量值不再发生变化。通过以上得分析可以得出这样得结论:在没有DcT光照射时,5S态上得8个 子能级儿乎均匀分布着原子，而当D：。*光持续照着时，较低得7个子能级上得原 子逐步被“抽运”到毎M2得子能级上，出现了 “粒子数反转”得现象（偏极化）。在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场西垂直于光传播方向上加一射频 振荡得磁场，并且调整射频频率y,使之满足（B4-9）这时将出现“射频受激辐射”，光吸收过程重乂开始，光强测量值乂降

7、低。跃迁到 5P态得原子在退激过程中可以跃迁到5S态得最下面得3个子能级上，所以，用不 了多久,5S态得8个子能级上全有了原子。山于此时子能级上得原子不再能 久留，所以，光跃迁不会造成新得“粒子数反转”。在加入了周期性得“扫场”磁场以后，总磁场为Btoz 二Bsc+Bs 十（B4 一 10）其中弘就是一个由通有稳定得直流电流得线圈所产生得磁场,方向在水平方 向，就是地球磁场得水平分量，这两部分在实验中不变。耳就是周期性得“扫场” 磁场，也就是水平方向得。地球磁场得垂直分量被一对线圈得磁场所抵消。当光磁共振发生时,满足量子条件(B4-11)通过仪器上得换向开关将直流磁场得方向倒转，此时可能观察不

8、到共振信号。 调节射频得频率，乂可以瞧到共掘信号，并调到如图B4-7所示得状态，记下射频 得频率心,则有如下得量子条件成立(B4-12)111 (B4-11), (B4-12)式得(B4-13)直流磁场弘可以通过读出两个并联线圈得电流之与殊计算(亥姆®兹线圈公式)(T)(B4-14)式中1与r就是两个水平线圈得匝数与有效半径，因为两个线圈就是并联得，数字 表显示得I值就是流过两个线圈得电流之与。图B4T光磁共振信号图像II以上介绍得就是针对样品只存在一种原子得悄况，事实上，样品中同时存在 s'Rb与s'Rb,所以，一般在示波器上能先后瞧到两种原子造成得光磁共振信号，当

9、 改变射频信号频率时二者就是交替出现得。对每一种原子造成得共振信号都可以 用上面介绍得方法测量其涉I子。要注意，册子得值不仅与原子有关，而且还与 量子数值有关。不难瞧出，这里测量得就是叮b得5S态中72得涉I子,而对于 '础来讲，测量得就是円得於1子。两种原子得訥子之比为0 声加 2(2 + 1)+；(1+；)卜 +刍 /贾3+1)+1(1+：)舟(1 + £) Ogf( Rb) 2222 /2222 . £gf 淫Rb)2x2x(2 + l) /2x3x(3 + l)2(B4-15)上式为判断共振信号就是哪一种原子引起得提供了依据。3. 利用光磁共振测量地磁场得水

10、平分量在光磁共振实验中，还能测量到地球磁场得水平分量得值，这为光磁共振提 供了另一个应用。方法如下：在测量出於I子之后，在(B4-11)式得基础上，同时将 砧尿倒向，调节射频信号频率至出现如图明-8所示得信号，则有如下量子 条件成立(B4-16)lll(B4-ll)式加(B4-16)式得(B4-17)图B4-8测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像四、实验仪器:DH807A型光磁共振试验仪I關I干涉毗片图1实9ft装盘主体元的示意图Fig, 1 Scbeimtic 诫 mnm (xpeiiuwQtal apparatus四、实验数据处理:观察光抽运信号按照实验要求进行仪器得调节,通过指南针可以判

11、断，水平场按钮按下去时水 平场与地磁场水平分量同向，弹出时水平场与地磁场水平分量反向;扫场按钮 按下去时扫场与地磁场水平分量反向，弹出时扫场与地磁场水平分量同向。进 而调节扫场幅度/吏光抽运信号幅度等高。电流(A)0、20、2250. 250. 2750. 30. 3250、350. 3750、40、425冋向kHz961690反向kHz3247010502、可求出gF因子。仪器参数项目名称水平场扫场垂宜场线圈每边匝数W250250100线圈有效半径r0、2406m0.2420m0.1530m观测光磁共振信号N纭r为两个水平线圈得匝数与有效半径为流过两个线圈得电流之与得:v-Bdc线性（wBd

12、cHll线） v-Bdc 曲线1500000140000013000001200000110000010000009000008000007000006000000.00008由实验原理知理论值为 '口.J E 0-5001240»50.5X 100%=0> 0248%b其中2-12082,且根据公式二； 得=1、 726*10E-63误差分析:数据较为准确可能会造成误差得因素有:外界磁场得影响，仪器并未充分预热测量时电流并不准确精确度不够外界光源通过遮光得布空隙透进等五:习题一、实验预习:1x导轨上各个元件得作用天然钿与惰性气体在小泡内，两侧放置射频线圈提供射频磁场。中间位恒 温槽,称为吸收池。槽内温度55度。垂直磁场线圈产生得磁场用来抵消地磁场得垂直分量。水平磁场线圈两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，使御原子得超精细能 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。锄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。偏振片与1/4玻片使光成为左旋圆偏振光。2、射频场得作用就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得吸收，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因为分裂得塞曼能级间得能量差很小,可以认为原子在塞曼能级上就是得 分裂