光磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告11180226 艾孜買提江·艾沙江摘要：本實(shí)驗(yàn)以光抽運(yùn)的方法來研究氣態(tài)原子基態(tài)及激發(fā)態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼能級(jí)間的磁共振。在加深對(duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的理解的基礎(chǔ)上，使用DH807A型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置觀察光抽運(yùn)信號(hào)，以此來測(cè)定銣原子(Rb85，Rb87)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)的朗德g因子。關(guān)鍵詞：光抽運(yùn)、塞曼分裂、銣原子、偏極化引言： 波譜學(xué)方法利用物質(zhì)的微波或射頻共振，來研究原子的精細(xì)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)以及在外加磁場(chǎng)中分裂形成的塞曼子能級(jí)，這比光譜學(xué)有更高的分辨率。1950年法國(guó)物理學(xué)家A.Kastler等人提出光抽運(yùn)技術(shù)，提高了探測(cè)信號(hào)的靈敏度。這種光軸運(yùn)磁共振光探測(cè)

2、技術(shù)，其靈敏度比一般的磁共振探測(cè)提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種方法很快就發(fā)展成為研究原子物理的一種重要的實(shí)驗(yàn)方法。它大大地豐富了我們對(duì)原子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子與原子間以及原子與其它物質(zhì)間相互作用的了解。為此，kastler榮獲了1966年度的諾貝物理獎(jiǎng)。一.實(shí)驗(yàn)原理1.銣原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)及塞曼分裂 銣原子的電子進(jìn)行LS耦合，產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)?；鶓B(tài)：L=0，S=J=1/2；第一激發(fā)態(tài)：L=1，S=J=1/2躍遷的譜線見書，不贅述。由于銣原子核自旋I不為0，核自旋角動(dòng)量和電子的總角動(dòng)量再進(jìn)行JJ耦合，產(chǎn)生基態(tài)為F=1和F=2的超精細(xì)結(jié)構(gòu)

3、。在磁場(chǎng)中，原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂，分裂后能級(jí)磁量子數(shù)由-F到F共2F+1個(gè)能級(jí)間隔基本相等的塞曼子能級(jí)。2.光抽運(yùn)效應(yīng) 一般情況下，即熱平衡狀態(tài)下的銣原子遵從Boltzmann分布，如果用射頻電磁場(chǎng)誘導(dǎo)子能級(jí)間共振躍遷，由于塞曼能級(jí)的能量差非常小，很難檢測(cè)到原子的這種磁共振躍遷。如果用圓偏振光激發(fā)銣原子，就能使塞曼能級(jí)間的粒子數(shù)差比Boltzmann分布形成的粒子數(shù)差大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，造成銣原子的偏極化。光抽運(yùn)即用左旋偏振光照射氣態(tài)銣原子，根據(jù)光的選擇定則，基態(tài)中能級(jí)上的粒子會(huì)越來越多，形成粒子數(shù)的偏極化。當(dāng)使用右旋偏振光照射樣品時(shí)，那么會(huì)產(chǎn)生相反的效果，所以不能使用線偏光(等量左旋偏

4、振光和右旋振偏光的疊加)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；使用橢圓偏振光(不等量左旋偏振光和右旋振偏光的疊加)、Pi光亦不能產(chǎn)生抽運(yùn)效應(yīng)。亦必須考慮弛豫過程，即：(1)銣原子和容器壁的碰撞；(2)銣原子之間的碰撞。這二者均會(huì)使得銣原子失去偏極化效果，所以要充入緩沖氣體，以增加弛豫過程。3.塞曼子能級(jí)之間的磁共振和光探測(cè)在樣品上垂直于恒定磁場(chǎng)加一射頻場(chǎng)，如果頻率滿足共振條件，銣原子基態(tài)超精細(xì)塞曼子能級(jí)間會(huì)發(fā)生感應(yīng)磁躍遷，由于光抽運(yùn)效應(yīng)的存在，銣原子又會(huì)回到磁量子數(shù)為2的子能級(jí)上，于是感應(yīng)磁躍遷與光抽運(yùn)效應(yīng)達(dá)到一種平衡。由于共振時(shí)對(duì)D1光的吸收增加，所以可以通過對(duì)透射光強(qiáng)變化的測(cè)量得到磁共振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了磁共振的光測(cè)探。二

5、、實(shí)驗(yàn)儀器由主體單元(銣光譜燈、準(zhǔn)直透鏡、吸收池、聚光鏡、光電探測(cè)器及亥姆霍茲線圈)、電源、輔助源、射頻信號(hào)發(fā)生器、示波器組成。三實(shí)驗(yàn)方法1儀器的調(diào)節(jié)在裝置加電之前,先進(jìn)行主體單元光路的機(jī)械調(diào)整。再用指南針確定地磁場(chǎng)方向，主體裝置的光軸要與地磁場(chǎng)水平方向相平行。用指南針確定水平場(chǎng)線圈、豎直場(chǎng)線圈及掃場(chǎng)線圈產(chǎn)生的各磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平和垂直方向的關(guān)系，并作詳細(xì)記錄。將“垂直場(chǎng)”、“水平場(chǎng)”、“掃場(chǎng)幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下輔助源的池溫開關(guān)，接通電源開關(guān)。開射頻信號(hào)發(fā)生器、示波器電源。電源接通約三十分鐘后，銣光譜燈點(diǎn)燃并發(fā)出紫紅色光，池溫?zé)袅?，吸收池正常工作，?shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。主體裝置的光學(xué)元件

6、應(yīng)調(diào)成等高共軸。調(diào)整準(zhǔn)直透鏡以得到較好的平行光束，通過銣樣品泡并射到聚光透鏡上。銣燈因不是點(diǎn)光源，不能得到一個(gè)完全平行的光束，但仔細(xì)調(diào)節(jié)，在通過聚光透鏡即可使銣燈到光電池上的總光量為最大，便可得到良好的信號(hào)。調(diào)節(jié)偏振片及1/4波片，使1/4波片的光軸與偏振光偏振方向的夾角為/4以獲得圓偏振光。寫出調(diào)節(jié)步驟和觀察到的現(xiàn)象。2光抽運(yùn)信號(hào)的觀察掃場(chǎng)方式選擇“方波”，調(diào)大掃場(chǎng)幅度。再將指南針置于吸收池上邊，設(shè)置掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)方向相反，然后拿開指南針。預(yù)置 垂直場(chǎng)電流為0.07A左右。用來抵消地磁場(chǎng)分量。然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度、調(diào)節(jié)掃場(chǎng)幅度及垂直場(chǎng)大小和方向，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度最大。再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦，使

7、光抽運(yùn)信號(hào)幅度最大。光抽運(yùn)信號(hào)波形掃場(chǎng)波形圖1（掃場(chǎng)波形中要加電場(chǎng)為零的縱軸線）銣樣品泡開始加上方波掃場(chǎng)的一瞬間，基態(tài)中各塞曼子能級(jí)上的粒子數(shù)接近熱平衡，即各子能級(jí)上的粒子數(shù)大致相等。 因此這一瞬間有總粒子數(shù)7/8的粒子在吸收光，對(duì)光的吸收最強(qiáng)。隨著粒子逐漸被抽運(yùn)到MF=+2子能級(jí)上，能吸收+的光粒子數(shù)減少，透過銣樣品泡的光逐漸增強(qiáng)。當(dāng)抽運(yùn)到MF=+2子能級(jí)上的粒子數(shù)達(dá)到飽和時(shí)，透過銣樣品泡的光達(dá)到最大且不再變化。當(dāng)磁場(chǎng)掃過零（指水平方向的總磁場(chǎng)為零）然后反向時(shí)，各塞曼子能級(jí)跟隨著發(fā)生簡(jiǎn)并隨即再分裂。能級(jí)簡(jiǎn)并時(shí)銣的子分布由于碰撞等導(dǎo)致自旋方向混雜而失去了偏極化，所以重新分裂后各塞曼子能級(jí)上的粒

8、子數(shù)又近似相等，對(duì)光的吸收又達(dá)到最大值，這樣就觀察到了光抽運(yùn)信號(hào)，如圖13.磁共振信號(hào)的觀察掃場(chǎng)方式選擇“三角波”，將水平場(chǎng)電流預(yù)置為0.7A左右，并使水平磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)方向相同(由指南針判斷)。垂直場(chǎng)的大小和偏振鏡的角度保持前面的狀態(tài)不變。調(diào)節(jié)射頻信號(hào)發(fā)生器，頻率可以觀察到共振信號(hào)如圖2，對(duì)應(yīng)波形，可讀出頻率及對(duì)應(yīng)的水平場(chǎng)電流I。再按動(dòng)水平場(chǎng)方向開關(guān)，使水平場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)方向相反。同樣可以得到。這樣水平磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的頻率為,即排除了地磁場(chǎng)水平分量及掃場(chǎng)直流分量的影響。用三角波掃場(chǎng)法觀察磁共振信號(hào)時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)值與射頻頻率滿足共振條件式時(shí)，銣原子分布的偏極化被破壞，產(chǎn)生

9、新的光抽運(yùn)。因此，對(duì)于確定的頻率，改變磁場(chǎng)值可以獲得Rb87或Rb85的磁共振?？傻玫酱殴舱裥盘?hào)的圖像。對(duì)于確定的磁場(chǎng)值（例如三角波中的某一場(chǎng)值），改變頻率同樣可以獲得Rb87或Rb85的磁共振。實(shí)驗(yàn)中要求在選擇適當(dāng)頻率（600KHz）及場(chǎng)強(qiáng)的條件下，觀察銣原子兩種同位素的共振信號(hào)并詳細(xì)記錄所有參量。4測(cè)量gF因子 為了研究原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，測(cè)準(zhǔn)gF因子時(shí)很有用的。我們用的亥姆霍茲線圈軸線中心處的磁感強(qiáng)度為式中N為線圈匝數(shù)，r為線圈有效半徑（米）， I為直流電流（安）。B為磁感強(qiáng)度（特斯拉），式hv= gFuBB？中，普朗克常數(shù)h=6.626×10-34焦耳秒，玻爾磁子uB=9.274×10-24焦耳/特斯拉。利用兩式可以測(cè)出gF因子值。要注意，引起塞曼能級(jí)分裂的磁場(chǎng)是水平方向的總磁場(chǎng)(地磁場(chǎng)的豎上分量已抵消)，可視為B=B水平+ B地+ B掃，而B地、B掃的直流部分和可能還有的其它雜散磁場(chǎng)，所有這些都難以測(cè)定。這樣給直接測(cè)量gF因子帶來困難，但只要參考霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中用過的換向方法，就不難解決了。測(cè)量gF因子實(shí)驗(yàn)的步驟自己擬定。有實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算出Rb87或Rb85的gF因子值。計(jì)算理論值并與測(cè)量值進(jìn)行比較。四實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) I1（平均）I2（平均）gF1gF2f=6000.1350.2360.6820.393f