光泵磁共振实验报告

1、前言和实验目的前言：光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破，使用探测磁共振信号的光探测方法，大大提高了灵敏度。这是在1950年，法国物理学家卡斯特勒(A.Kasslte1902～1984)提出了光抽运方法。光抽运过程是原子系统吸收某种特定的光而造成能级原子数的分布偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。光泵磁共振是光抽运过程和射频磁共振相结合的一种双共振过程。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收，从而获得光泵磁共振信号，此技术应用了光探测方法，既具有了磁共振高分辨率的优点，又将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。卡斯特勒因此荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。目前此方法，一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子、分子间各种相互作用进行实验研究，另一方面在量子频标，精确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，发展出两种精密仪器，原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。本实验是以天然铷()为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。实验目的：1．加深对超精细结构原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。2．掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法。3．测定铷()原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子和地磁场强度。2、实验原理天然铷含量较大的有两种同位素：占72.15%,占27.85%。铷原子的基态为，最低激发态为及双重态，所以从5P到5S的跃迁就能观察到精细结构。同时，我们又知道原子核也存在自旋，因此也就存在核磁矩与电子自旋及轨道磁矩的相互作用，是能级进一步分裂，也就产生了超精细结构。设核量子数为I，则耦合后的总量子数为F=I+J,…,|I-J|。又的I=3/2，的I=5/2，所以的基态F有两个值F=2及F=1；的基态F有两个值F=3及F=2。原子总角动量与总磁矩的关系为：其中为铷原子超精细结构的朗德因子：而。磁矩的分裂在外磁场中就表现为能级上的分裂，即塞曼分裂。磁量子数=F，(F-1)，……，(-F)，即分裂成2F+1个能量间距基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子能级之间的能量差为：在热平衡条件下，各能级的粒子数遵守玻耳兹曼分布，其分布规律为：而超精细结构的塞曼子分裂能级相差很小，导致各子能级上的粒子数基本上可认为是相等的，因此我们采用光抽运的方法，使能级原子数分布偏离玻耳兹曼分布，即使粒子数分布在某一能级偏极化。假设我们用能使原子从态跃迁到态的左旋圆偏振光作用在样品上，则能产生=±1的跃迁，如下图所示：(a)基态粒子吸收的受激跃迁，=+2的粒子跃迁概率为零(b)激发态粒子通过自发辐射退激回到基态各子能级由图可知该圆偏振光能把除=+2以外各子能级上的原子激发到的相应子能级上，而向下辐射跃迁时则是概率相等的，因此进过若干循环后基态=+2能级上的粒子数会大大增加，也即大量的粒子被抽运到基态=+2的子能级上，这就是光抽运。当粒子被抽运到=+2上时，由于其他能级粒子数减少，将会使其对圆偏振光的吸收减小，而这时若加一个能使电子从=+2向=+1跃迁的射频场，则能将处于被抽运到=+2上的粒子在运回=+1，再继续被抽运，从而使感应跃迁与光抽运达到一个动态的平衡，产生磁共振时≠+2各子能级上的粒子数大于不共振时，因此对光的吸收增大，故可以通过对对光的吸收强度的变化判断是否产生了磁共振，而光的能量远大于射频场的能量，这样就提高的实验的精度，可以使信号功率提高7~8个数量级。另外从非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程叫做驰豫过程。在试验中为了保持原子分布的偏极化，我们必须要抑制驰豫过程。3、实验器材本实验系统由主体单元、电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，其中主体单元为实验装置的核心由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。4、注意事项1.实验过程中要选择扫场的同一点作为参考点,最好是峰点或谷点.2.实验中要用黑布盖住主体单元,以免其他杂乱信号的干扰.5、实验数据、实验数据处理、计算结果和估算不确定度等。1．测量超精细结构所得的实验数据如下：1234567891011I/A0.0250.0650.1070.1440.1880.2140.2560.2930.3210.3610.402v1/kHz37043853459670076683992499210741167v2/kHz16331808195220462130230224442570266227812879对于，用excel线性拟合得一下结果：得斜率k=2132.1，而，其中N=250，r=0.2405m。从而得到的超精细结构的朗德因子。又精细结构朗德因子的理论值为,从而超精细结构的理论值为=1/3，所以相对误差为对于，进行线性拟合得一下结果：得斜率k2=3335.3，从而得到超精细结构的朗德因子。而对于，精细结构朗德因子的理论值为，从而超精细结构朗德因子的理论值为=1/2，所以相对误差为。2、测量地磁场所得的实验数据如下：地磁场1234I/A0.4020.3610.3210.293ν1/kHz2879278126622570ν2/kHz2579246522922193Δν/kHz300316370377，所以而在垂直方向上，垂直场线圈电流为I=0.06A，由此可计算地磁场的垂直分量：故总地磁场磁场大小估计值为：地磁场方向同水平面的夹角为：，6、分析实验结果、不确定度的来源、谈谈心得和改进方法。从实验所得结果来看，总体还是令人满意的，测量超精细结构常数所得值与理论值相差不大，但地磁场的测量结果有较大的偏差（地磁场大小约在0.05~0.06mT之间），以下简要谈谈本实验误差的主要来源：1、在参考点的判断上会存在误差。2、在实验开始时的调节会有误差，通过机械的方法很难将器件较精确的与水平场平行放置3、测量地磁场垂直分量大小时误差较大，要控制很多变量使抽运信号最明显，误差会较大7、选择题1、光泵磁共振实验中，射频线圈产生的射频场与弱磁场的方向（C）平行成30°角垂直成任意角度2、在光泵磁共振实验中，测定85Rb和87Rb基态的值时，只需测得共振时的(C)共振频率合外磁场合外磁场和共振频率射频线圈产生的射频场和共振频率3、光泵磁共振实验中，样品放置于恒温室中，其温度范围为（A）40～60℃70～90℃大于100℃低于100℃4、原子失去偏极化的主要原因是（A）铷原子温度过高铷原子间的碰撞铷原子与器壁碰撞缓冲气体影响5、F量子数表征的能级为（D）精细结构能级塞曼能级激发态能级超精细能级6、若L=0，S=1/2，考虑LS耦合J为（C）13/21/207、对87Rb的光抽运效应是将87Rb原子抽运到基态的某一可能能级上，该能级的磁量子数mF为（B）+1+2+3+48、光磁共振的条件为(B)A、B、C、D、9、光泵磁共振实验中所用的入射光为（A）左旋圆偏振光D1光右旋圆偏振光D2光π光椭圆偏振光8、多选题1、考虑铷原子核自旋角动量PI与电子总动量PJ耦合后的总量子数为F，的基态I=3/2，J=1/2，则F值为(BC)012342、原子失去偏极化的原因（BCD）外加磁场的影响铷原子之间的碰撞样品温度过高铷原子与器壁碰撞地磁场影响3、以下说法正确的是（AC）A、当合外磁场不变时，频率高的为87Rb的共振谱线B、当合外磁场不变时，频率高的为85Rb的共振谱线C、当射频频率不变时，合外磁场大的为85Rb的共振谱线D、当射频频率不变时，合外磁场大的为87Rb的共振谱线E、87Rb和85Rb的共振谱线一致。\9、思考题(1)

何谓光磁共振?它研究的对象是什么?答:通过圆偏振光作用使原子跃迁,然后原子又会向下跃迁发出光子,由于选择定则,反复这个过程就会使粒子数偏极化,不再服从玻耳兹曼分布.而这时若加一个射频场使其发生磁共振,则会减弱这种偏极化,与光抽运达到动态平衡,增加对圆偏振光的吸收,即发生光磁共振.(2)

何谓光抽运?光抽运的目的是什么?答:通过圆偏振光作用使原子跃迁,然后原子又会向下跃迁发出光子,由于选择定则,反复这个过程就会使粒子数偏极化,不再服从玻耳兹曼分布,这个过程就是光抽运,目的就是是粒子数在某一能级上出现偏极化.(3)怎样实现塞曼子能级间的磁共振?答:在垂直于恒定磁场的方向加一个频率为的射频场，此射频场可分解为一个左旋圆偏振磁场与一个右旋圆偏振磁场，当满足共振条件：=时就能发生塞曼子能级之间的磁共振(4)描述光磁共振的实验装置,指出各个部件所起的作用是什么?答:铷样品泡：天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约为52mm的玻璃泡内。铷光谱灯：是一种高频气体放电灯，它由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。光电探测器：用来接收透射光强变化，并把光信号转换成电信号，接收部分采用硅光电池，其放大器倍数大于100。电源：电源为主体单元提供三组直流电源，第Ⅰ路是0～1A可调稳流电源，为水平磁场提供电流，第Ⅱ路是0～0.5A可调稳流电源，为垂直磁场提供电流。第Ⅲ路是24V/2A稳压电源，为控温电路，扫场提供工作电压。辅助源：辅助源为主题单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。射频信号发生器：本实验装置中的射频信号发生器使用频率范围为10KHz～3MHz频段，频率可调，输出功率在50负载上不小于0.5W，并且输出幅度可调节。示波器：采用的示波器是一种双通道示波器，用来观看扫描磁场及光电探测器接收的透射光强的变化。(5)

使用周期性的“扫描场”有什么好处?答：能更简单的找出共振信号，且不影响实验结果(6)铷原子塞曼子能级间的磁共振信号是什么方法检测的？答：通过光检测，因为是发生了光磁共振，检测磁共振信号跟检测光信号都是可以的，而光信号较射频信号功率提高了7~8个数量级，可以提高检测的灵敏度。(7)你测定因子的方法是否受到地磁场的影响？为什么？答：基本上认为没有影响，因为采用的是拟合直线的方法，那些散杂的磁场只能影响截距，而不会对斜率产生影响，而我们需要的就是斜率。(8)试计算出本实验和的因子理论值？答:在实验数据处理中已经给出了二者的理论值，其中的值为1/3，而的值为1/2。(9)扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？答：不能或者说不明显，因为扫场不过零的话就会由于光抽运的作用使粒子在某一能级偏极化，而在其他能级上粒子数减少，从而导致接下来的光抽运现象不明显，即难以再观察到光抽运信号。而若过零，则前后所产生偏极化的能级是不同的，故