3光泵磁共振實(shí)驗(yàn)

1、光泵磁共振實(shí)驗(yàn) 物理學(xué)中研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最初是利用光譜學(xué)的方法，推動(dòng)了原子和分子物理學(xué)的進(jìn)展。如果要研究原子、分子等微觀粒子內(nèi)部更精細(xì)的結(jié)構(gòu)和變化，光譜學(xué)的方法受到儀器分辨率和譜線線寬的限制。在此情況下發(fā)展的波譜學(xué)方法利用物質(zhì)的微波或射頻共振研究原子的精細(xì)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)以及因磁場(chǎng)存在而分裂形成的塞曼子能級(jí)，這比光譜學(xué)方法有更高的分辨率。但是，熱平衡下磁共振涉及的能級(jí)上粒子布居數(shù)差別很小，加以磁偶極躍遷幾率也較小，因此核磁共振波譜方法也有如何提高信息強(qiáng)度的問(wèn)題。對(duì)于固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的波譜學(xué)，如核磁共振(NMR)和電子順磁共振(EPR)，由于樣品濃度大，再配合高靈敏度的電子探測(cè)技術(shù)，能夠得到足夠強(qiáng)的

2、共振信號(hào)。但對(duì)氣態(tài)的自由原子，樣品的濃度降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，就得另外想新辦法來(lái)提高共振信號(hào)強(qiáng)度。AKastler等人在20世紀(jì)50年代提出了光抽運(yùn)(optical pumping，又稱光泵)技術(shù)，并在1966年榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。光抽運(yùn)是用圓偏振光束激發(fā)氣態(tài)原子的方法以打破原子在所研究的能級(jí)間的玻耳茲曼熱平衡分布，造成所需的布居數(shù)差，從而在低濃度的條件下提高了共振強(qiáng)度。這時(shí)再用相應(yīng)頻率的射頻場(chǎng)激勵(lì)原子的磁共振。在探測(cè)磁共振方面，不直接探測(cè)原子對(duì)射頻量子的發(fā)射或吸收，而是采用光探測(cè)的方法，探測(cè)原子對(duì)光量子的發(fā)射或吸收。由于光量子的能量比射頻量子高七八個(gè)數(shù)量級(jí)，所以探測(cè)信號(hào)的靈敏度得以提高。使用光抽運(yùn)磁共

3、振光探測(cè)技術(shù)對(duì)許多原子、離子和分子進(jìn)行的大量研究，增進(jìn)了我們對(duì)微觀粒子結(jié)構(gòu)的了解，推動(dòng)了結(jié)構(gòu)理論方面的研究。此外，光抽運(yùn)技術(shù)在激光、電子頻率標(biāo)準(zhǔn)和精測(cè)弱磁場(chǎng)等方面也有重要的應(yīng)用。 本實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)容很豐富，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不僅掌握其方法，也會(huì)見(jiàn)到比較復(fù)雜的現(xiàn)象。若能根據(jù)基本原理給出正確的分析，將受到一次很好的原子物理實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練。1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚?duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的理解，測(cè)定銣原子（）超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)的朗德因子。2 實(shí)驗(yàn)原理一、銣(Rb)原子能級(jí)結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象是的氣態(tài)自由原子。是堿金屬原子，在緊緊束縛的滿殼層外只有一個(gè)電子，價(jià)電子處于第5殼層，主量子數(shù)。主量子數(shù)為的電子，其軌道量子數(shù)。

4、基態(tài)的，最低激發(fā)態(tài)的。電子還具有自旋，電子自旋量子數(shù)。由于電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用（即耦合）而發(fā)生能級(jí)分裂，稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3.1)。軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量的合成總角動(dòng)量。原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)用總角動(dòng)量量子數(shù)來(lái)標(biāo)記， （1）原子的基態(tài)，和，因此基態(tài)只有，標(biāo)記為；其最低激發(fā)態(tài)是（）及（）。與能級(jí)之間產(chǎn)生的躍遷是銣原子主線系的第1條線，為雙線。它在銣燈光譜中強(qiáng)度是很大的。躍遷產(chǎn)生波長(zhǎng)為7947.6的D1譜線，躍遷產(chǎn)生波長(zhǎng)7800的D2譜線。 原子的價(jià)電子在耦合中，總角動(dòng)量與原子的電子總磁矩，的關(guān)系為 (2) (3)其中是朗德因子，和是量子數(shù)。核具有自旋和磁矩。核磁矩與上述原子的電子總磁矩之間

5、相互作用造成能級(jí)的附加分裂，這個(gè)附加分裂稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)。銣元素在自然界主要有兩種同位素，占27.85%，占72.15。兩種同位素銣核的自旋量子數(shù)是不同的。核自旋角動(dòng)量與電子總角動(dòng)量，耦合成，有 （4）耦合形成超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)(見(jiàn)圖32)，由量子數(shù)標(biāo)記 （5）的，它的基態(tài)，具有和兩個(gè)狀態(tài)。的，它的基態(tài)，具有和兩個(gè)狀態(tài)。 整個(gè)原子的總角動(dòng)量與總磁矩之間的關(guān)系可寫(xiě)為 (6) 其中：因子可按類似于求因子的方法算出?？紤]到核磁矩比電子磁矩小約3個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)際上為在方向的投影，從而得 (7)是對(duì)應(yīng)于與PF關(guān)系的朗德因子。以上所述都是沒(méi)有外磁場(chǎng)條件下的情況。如果處在外磁場(chǎng)中，由于總磁矩與磁場(chǎng)的相互作用，超精細(xì)

6、結(jié)構(gòu)中的各能級(jí)進(jìn)一步發(fā)生塞曼分裂形成塞曼子能級(jí)。用磁量子數(shù)來(lái)表示，即分裂成個(gè)子能級(jí)，其間距相等。與的相互作用能量為 (8)式中：為玻爾磁子。的能級(jí)圖見(jiàn)圖3.3，的能級(jí)圖見(jiàn)圖3.4。為了清楚，所有的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖均未按比例繪制。各相鄰塞曼子能級(jí)的能量差為 (9)可以看出與B成正比。當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)，各塞曼子能級(jí)將重新簡(jiǎn)并為原來(lái)能級(jí)。二、光抽運(yùn)氣態(tài)原子受D1左旋圓偏振光照射時(shí)，遵守光躍遷選擇定則， 在由能級(jí)到能級(jí)的激發(fā)躍遷中，由于光子的角動(dòng)量為，只能產(chǎn)生的躍遷。基態(tài)子能級(jí)上的粒子若吸收光子就將躍遷到的狀態(tài)，但各子能級(jí)最高為。因此基態(tài)中子能級(jí)上的粒子就不能躍遷，換言之其躍遷幾率為零。見(jiàn)圖3.5。由到的向下

7、躍遷(發(fā)射光子)中，的各躍遷都是可能的。經(jīng)過(guò)多次上下躍遷，基態(tài)中子能級(jí)上的粒子數(shù)只增不減，這樣就增大了粒子布居數(shù)的差別。這種非平衡分布稱為粒子數(shù)偏極化。類似地，也可以用右旋圓偏振光照射樣品，最后原子都布居在基態(tài)，且的子能級(jí)上。原子受光激發(fā)，在上下躍遷過(guò)程中使某個(gè)子能級(jí)上粒子過(guò)于集中稱之為光抽運(yùn)，其目的就是要造成基態(tài)能級(jí)中的偏極化，實(shí)現(xiàn)了偏極化就可以在子能級(jí)之間進(jìn)行磁共振躍遷實(shí)驗(yàn)。 三、弛豫時(shí)間 在熱平衡條件下，任意兩個(gè)能級(jí)和上的粒子數(shù)之比都服從玻耳茲曼分布，式中是兩個(gè)能級(jí)之差，分別是兩個(gè)能級(jí)，上的原子數(shù)目，是玻耳茲曼常數(shù)。由于能量差極小，近似地可認(rèn)為各子能級(jí)上的粒子數(shù)是相等的。光抽運(yùn)增大了粒子

8、布居數(shù)的差別，使系統(tǒng)處于非熱平衡分布狀態(tài)。 系統(tǒng)由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于平衡分布狀態(tài)的過(guò)程稱為弛豫過(guò)程。促使系統(tǒng)趨向平衡的機(jī)制就是原子之間以及原子與其他物質(zhì)之間的相互作用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保持原子分布有較大的偏極化程度，就要盡量減少返回玻耳茲曼分布的趨勢(shì)。但銣原子與容器壁的碰撞以及銣原子之間的碰撞都導(dǎo)致銣原子恢復(fù)到熱平衡分布，失去光抽運(yùn)所造成的偏極化。銣原子與磁性很弱的原子碰撞，對(duì)銣原子狀態(tài)的擾動(dòng)極小，不影響原子分布的偏極化。因此在銣樣品泡中充人的氮?dú)猓拿芏缺茹溦魵庠拥拿芏却?個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣可減少原子與容器以及與其他原子的碰撞機(jī)會(huì)，從而保持原子分布的高度偏極化。此外，處于態(tài)的原子須與緩沖氣

9、體分子碰撞多次才能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，由于所發(fā)生的過(guò)程主要是無(wú)輻射躍遷，所以返回到基態(tài)中8個(gè)塞曼子能級(jí)的幾率均等，因此緩沖氣體分子還有利于粒子更快的被抽運(yùn)到子能級(jí)的過(guò)程。 銣樣品泡溫度升高，氣態(tài)銣原子密度增大，則銣原子與器壁及銣原子之間的碰撞都要增加，使原子分布的偏極化減小。而溫度過(guò)低時(shí)銣蒸氣原子數(shù)不足，也使信號(hào)幅度變小。因此有個(gè)最佳溫度范圍，一般在4060之間(的熔點(diǎn)是38.89)。 四、塞曼子能級(jí)之間的磁共振 因光抽運(yùn)而使Rb87原子分布偏極化達(dá)到飽和以后，蒸氣不再吸收D1光，從而使透過(guò)銣樣品泡的D1光增強(qiáng)。這時(shí)，在垂直于產(chǎn)生塞曼分裂的磁場(chǎng)的方向加一頻率為的射頻磁場(chǎng)，當(dāng)和之間滿足磁共振條件 (1

10、0)時(shí)，在塞曼子能級(jí)之間產(chǎn)生感應(yīng)躍遷，稱為磁共振。躍遷遵守選擇定則原子將從子能級(jí)向下躍遷到各子能級(jí)上，即大量原子由的能級(jí)躍遷到 (見(jiàn)圖36)，以后又躍遷到等各子能級(jí)上。這樣，磁共振破壞了原子分布的偏極化，而同時(shí)，原子又繼續(xù)吸收入射的D1光而進(jìn)行新的抽運(yùn)，透過(guò)樣品泡的光就變?nèi)趿?。隨著抽運(yùn)過(guò)程的進(jìn)行，粒子又從各能級(jí)被抽運(yùn)到的子能級(jí)上。隨著粒子數(shù)的偏極化，透射再次變強(qiáng)。光抽運(yùn)與感應(yīng)磁共振躍遷達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此光抽運(yùn)與磁共振的過(guò)程就可以連續(xù)地進(jìn)行下去。也有類似的情況，只是D1光將抽運(yùn)到基態(tài)的子能級(jí)上，在磁共振時(shí)又跳回到等能級(jí)上。射頻(場(chǎng))頻率和外磁場(chǎng)(產(chǎn)生塞

11、曼分裂的) 兩者可以固定一個(gè)，改變另一個(gè)以滿足磁共振條件(10)。改變頻率稱為掃頻法(磁場(chǎng)固定)，改變磁場(chǎng)稱為掃場(chǎng)法(頻率固定)。五、光探測(cè) 投射到銣樣品泡上的D1光，一方面起光抽運(yùn)作用，另一方面，透射光的強(qiáng)弱變化反映樣品物質(zhì)的光抽運(yùn)過(guò)程和磁共振過(guò)程的信息，用D1光照射銣樣品泡，并探測(cè)透過(guò)樣品泡的光強(qiáng)，就實(shí)現(xiàn)了光抽運(yùn)磁共振光探測(cè)。在探測(cè)過(guò)程中射頻(106Hz)光子的信息轉(zhuǎn)換成了頻率高的光頻(1014 Hz)光子的信息，這就使信號(hào)功率提高了8個(gè)數(shù)量級(jí)。 樣品中和都存在，都能被D1光抽運(yùn)而產(chǎn)生磁共振。為了分辨是。還是參與磁共振，可以根據(jù)它們的與偏極化有關(guān)能態(tài)的因子不同加以區(qū)分。對(duì)于，由基態(tài)中F=3

12、的態(tài)的因子可知，對(duì)于，由基態(tài)中F=2態(tài)的因子可知。4 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)的總體裝置如圖37的方框圖所示。主體裝置如圖38所示。說(shuō)明如下。 1光源為銣原子光譜燈。由高頻振蕩器(頻率約為5565 MHz)，控溫裝置(8090)及銣燈泡組成。銣燈泡在高頻電磁場(chǎng)的激勵(lì)下進(jìn)行無(wú)極放電而發(fā)光，產(chǎn)生銣光譜，包括D1=7948A及D2=7800A光譜線。D2光譜線對(duì)光抽運(yùn)過(guò)程有害，出光處裝一干涉濾光片，其中心波長(zhǎng)為794850A，將D2線濾掉。 2產(chǎn)生平行的D1圓偏振光裝置。凸透鏡的焦距為77mm，是為調(diào)準(zhǔn)直使用的。偏振片與40m厚的云母制成的1/4波片是為使D1線成為圓偏振光。 3主體中央為銣樣品泡及磁場(chǎng)線圈部分

13、。同位素比例為天然成分的銣和緩沖氣體充在一直徑為52mm的玻璃泡內(nèi)，在銣樣品泡的兩側(cè)對(duì)稱放置一對(duì)小射頻線圈，它為銣原子磁共振躍遷提供射頻場(chǎng)。銣樣品泡和射頻線圈都置于圓柱形恒溫槽內(nèi)，稱之為吸收池。槽內(nèi)溫度在4060的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。吸收池安放在兩對(duì)亥姆霍茲線圈的中心。一對(duì)豎直線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)用以抵消地磁場(chǎng)的豎直分量。另一對(duì)水平線圈有兩套繞組。一組在外，為產(chǎn)生水平直流磁場(chǎng)的線圈。另一組在內(nèi)，為掃場(chǎng)線圈，掃場(chǎng)是在直流磁場(chǎng)上疊加的一個(gè)調(diào)制磁場(chǎng)(方波或三角波)。要注意，使銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)發(fā)生塞曼分裂的是水平方向的總磁場(chǎng)。 4輔助電源。由實(shí)驗(yàn)裝置方框圖可以看到。射頻信號(hào)是先輸入輔助電源，再由24芯電纜

14、將輔助電源與主體裝置聯(lián)接起來(lái)。射頻信號(hào)發(fā)生器(20k1MHz)可以指示射頻信號(hào)的頻率值，功率大小可以調(diào)節(jié)。輔助電源上附有測(cè)水平線圈與豎直線圈勵(lì)磁電流的電表，用以測(cè)水平場(chǎng)勵(lì)磁電流和豎直場(chǎng)勵(lì)磁電流等值(單位是安培A)。如圖39中有關(guān)部分所示。除射頻小線圈外，所有勵(lì)磁線圈都有一個(gè)極性換向開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的旋鈕，它們裝在輔助電源的前面板上。池溫(ON，OFF)開(kāi)關(guān)用于給吸收池加熱。當(dāng)池溫和燈溫顯示燈亮?xí)r，說(shuō)明池溫和燈溫已到工作溫度。方波和三角波開(kāi)關(guān)以及掃場(chǎng)幅度旋鈕可用示波器觀察它們的功能。水平場(chǎng)、水平掃場(chǎng)以及垂直場(chǎng)換向開(kāi)關(guān)的功能可由指南針檢驗(yàn)。把指南針?lè)旁诰€圈中心位置，觀察調(diào)節(jié)換向開(kāi)關(guān)后指南針的偏轉(zhuǎn)

15、，從而判斷各磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平和垂直分量方向的關(guān)系。輔助電源后面板上有射頻信號(hào)功率輸入插孔和掃場(chǎng)信號(hào)輸出插孔(已接好)。 5聚光元件。凸透鏡，焦距為77mm。 6光電接收裝置。光電池作為光電接收元件，與放大器一起組成光檢測(cè)器。然后將光強(qiáng)信號(hào)輸出接到雙線示波器Y1通道。5 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和步驟一、儀器的調(diào)節(jié) 實(shí)驗(yàn)受磁場(chǎng)影響很大，因此主體裝置附近要避開(kāi)其他鐵磁性物質(zhì)、強(qiáng)電磁場(chǎng)及大功率電源線等。 1為了作好實(shí)驗(yàn)，應(yīng)先用磁針確定地磁場(chǎng)方向。主體裝置的光軸要與地磁場(chǎng)水平方向相平行。 2接通DH807電源開(kāi)關(guān)，按“池溫ON鍵(加溫銣樣品泡)。開(kāi)示波器電源。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

16、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。 3主體裝置的光學(xué)元件應(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(guò)銣樣品泡并射到聚光透鏡上。因銣燈不是點(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)，再通過(guò)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)。 4電源接通約20分鐘后，燈溫?zé)袅粒湽庾V燈點(diǎn)燃并發(fā)出紫紅色光。池溫?zé)袅?，吸收池正常工作?5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以獲得圓偏振光。左旋圓偏振光把原子抽運(yùn)到的能級(jí)，右旋圓偏振光把原子抽運(yùn)到的能級(jí)。前面已述及。光沒(méi)有抽運(yùn)作用。它是線偏振光，可視為強(qiáng)度相等的與的合成，兩種相反的抽

17、運(yùn)作用全部抵消，沒(méi)有抽運(yùn)效應(yīng)。當(dāng)入射光為圓偏振光時(shí)，抽運(yùn)的效應(yīng)最強(qiáng)。當(dāng)入射光是橢圓偏振光時(shí)，兩種相反的抽運(yùn)作用不會(huì)全部抵消，這時(shí)對(duì)入射光有吸收，也有抽運(yùn)效應(yīng)。因此在調(diào)光中一定要將D1光調(diào)成圓偏振光。寫(xiě)出調(diào)節(jié)步驟和觀察到的現(xiàn)象。二、光抽運(yùn)信號(hào)的觀察 銣樣品泡開(kāi)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D1光，對(duì)光的吸收最強(qiáng)。隨著粒子逐漸被抽運(yùn)到子能級(jí)上，能吸收的光粒子數(shù)減少，透過(guò)銣樣品泡的光逐漸增強(qiáng)。當(dāng)抽運(yùn)到子能級(jí)上的粒子數(shù)達(dá)到飽和時(shí)，透過(guò)銣樣品泡的光達(dá)到最大且不再變化。當(dāng)磁場(chǎng)掃過(guò)零(指水平方向的總磁場(chǎng)為

18、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)銣原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)上的粒子數(shù)又近似相等，對(duì)D1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3.10。 使用不同的掃場(chǎng)，加入或不加入豎直線圈磁場(chǎng)及水平線圈磁場(chǎng)，以及改變它們的勵(lì)磁電流大小和方向都將影響光抽運(yùn)信號(hào)。在記錄光抽運(yùn)信號(hào)時(shí)要將信號(hào)幅度調(diào)至最大，因此實(shí)驗(yàn)中要求首先調(diào)出圖3.10中(b)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)，然后研究光抽運(yùn)信號(hào)強(qiáng)度(峰峰值)與垂直線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)(大小和方向)的關(guān)系，作出它們之間的關(guān)系曲線。把光抽運(yùn)信號(hào)強(qiáng)度最大處對(duì)應(yīng)的垂直線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)固定(后面的實(shí)驗(yàn)也要求這么做)，研究光抽運(yùn)信號(hào)強(qiáng)度與水平線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)(大小和方向)的關(guān)系，作出它們之問(wèn)的關(guān)系曲線。對(duì)上述兩條曲線作出解釋，并計(jì)算地磁場(chǎng)的垂直分量和估算地磁場(chǎng)的水平分量。最后調(diào)出圖3.10中所有信號(hào)，并且詳細(xì)記錄其條件和分析各光抽運(yùn)信號(hào)的產(chǎn)生原因。三、磁共振信號(hào)的觀察 光抽運(yùn)信號(hào)反映兩個(gè)能帶(分別由52S1/2和52P1./2分裂而形成)間的光學(xué)躍遷，磁共振信號(hào)則反映塞曼子能級(jí)之間的射頻躍遷。磁共振破壞了粒子分布的