光磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆展獬檫\(yùn)-磁共振-光檢測的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法；研究原子、分子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)；測定銣同位素87Rb和85Rb的gF因子，測定地磁場的水平分量；實(shí)驗(yàn)原理（一）．銣（Rb）原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)實(shí)驗(yàn)研究的對象是銣的氣態(tài)自由原子。銣?zhǔn)菈A金屬原子，在緊束縛的滿殼層外只有一個(gè)電子。銣的價(jià)電子處于第五殼層，主量子數(shù)n=5。主量子數(shù)為n的電子，其軌道量子數(shù)L=0,1,……,n-1?；鶓B(tài)的L=0,最低激發(fā)態(tài)的L=1。電子還具有自旋，電子自旋量子數(shù)S=1/2。85Rb和87Rb的基態(tài)都是52由于電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用（既L—S耦合）而發(fā)生能級(jí)分裂，稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)。電子軌道角動(dòng)量與其自旋角動(dòng)量的合成電子的總角動(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)J來標(biāo)記，J=L+S，L+S-1，…，|L-S|.對于基態(tài)，L=O和S=1/2,因此Rb基態(tài)只有J=1/2。其標(biāo)記為52。銣原子最低激發(fā)態(tài)是及。態(tài)的J=1/2，態(tài)的J=3/2。5P于5S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?！S遷產(chǎn)生波長為的譜線,→躍遷產(chǎn)生波長的譜線。原子的價(jià)電子在LS耦合中，其總角動(dòng)量與電子總磁矩的關(guān)系為：(1)(2)是郎德因子，J是電子總角動(dòng)量量子數(shù)，L是電子的軌道量子數(shù)，S是電子自旋量子數(shù)。核具有自旋和磁矩。核磁矩與上述電子總磁矩之間相互作用造成能級(jí)的附加分裂。這附加分裂稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)。銣的兩種同位素的自旋量子數(shù)I是不同的。核自旋角動(dòng)量與電子總角動(dòng)量耦合成原子的總角動(dòng)量,有。J—I耦合形成超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)，由F量子數(shù)標(biāo)記，F(xiàn)=I+J、…,|I-J|。的I=3/2,它的基態(tài)J=1/2，具有F=2和F=1兩個(gè)狀態(tài)。的I=5/2,它的基態(tài)J=1/2，具有F=3和F=2兩個(gè)狀態(tài)。整個(gè)原子的總角動(dòng)量與總磁矩之間的關(guān)系可寫為(3)wqer=*4/4Uj=-gj*e/2m*Pj其中的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)際上為在方向上的投影，從而得(4)是對應(yīng)于與關(guān)系的郎德因子。以上所述都是沒有外磁場條件下的情況。如果處在外磁場中，由于總磁矩與磁場的相互作用，超精細(xì)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)來表示，則=F,F-1,…,-F,即分裂成2F+1個(gè)子能級(jí)，其間距相等。與的相互作用能量為：(5)式中為玻耳磁子。各相鄰塞曼子能級(jí)的能量差為：(6)可以看出與成正比。當(dāng)外磁場為零時(shí)，各塞曼子能級(jí)將重新簡并為原來能級(jí)。（二）圓偏振光對銣原子的激發(fā)與光抽運(yùn)效應(yīng)一定頻率的光可引起原子能級(jí)之間的躍遷。氣態(tài)原子受左旋圓偏振光照射時(shí)，遵守光躍遷選擇定則±1，。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?；鶓B(tài)子能級(jí)上原子若吸收光子就將躍遷到的狀態(tài)，但各自能級(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。由于的激發(fā)而躍遷到激發(fā)態(tài)的粒子可以通過自發(fā)輻射退激回到基態(tài)。由到的向下躍遷（發(fā)射光子）中，，的各躍遷都是有可能的。當(dāng)原子經(jīng)歷無輻射躍遷過程從回到時(shí)，則原子返回基態(tài)各子能級(jí)的概率相等，這樣經(jīng)過若干循環(huán)之后，基態(tài)子能級(jí)上的原子數(shù)就會(huì)大大增加，即大量原子被“抽運(yùn)”到基態(tài)的的子能級(jí)上。這就是光抽運(yùn)效應(yīng)。經(jīng)過多次上下躍遷，基態(tài)中的子能級(jí)上的原子數(shù)只增不減，這樣就增大了原子布居數(shù)的差別。這種非平衡分布稱為原子數(shù)偏極化。光抽運(yùn)的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)了。（三）馳豫過程系統(tǒng)由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于平衡分布狀態(tài)的過程稱為馳豫過程。促使系統(tǒng)趨向平衡的機(jī)制是原子之間以及原子與其它物質(zhì)之間的相互作用。在實(shí)驗(yàn)過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。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)所造成的碰撞（偏極化）。銣原子與磁性很弱的原子碰撞，對銣原子狀態(tài)的擾動(dòng)極小，不影響原子分布的偏極化。因此在銣樣品泡中沖入10托的氮?dú)?，它的密度比銣蒸氣原子的密度?個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣可減少銣原子與容器以及與其它銣原子的碰撞機(jī)會(huì)，從而保持銣原子分布的高度偏極化。此外，處于的原子須與緩沖氣體分子碰撞多次才能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，由于所發(fā)生的過程主要是無輻射躍遷，所以返回到基態(tài)中八個(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)的過程。（四）光磁共振和光檢測因光抽運(yùn)而使原子分布偏極化達(dá)到飽和以后，銣蒸氣不再吸收光，從而使透過銣樣品泡的光增強(qiáng)。這時(shí)，在垂直于產(chǎn)生塞曼分裂的磁場的方向加一頻率為的射頻磁場，當(dāng)和之間滿足磁共振條件時(shí)，在塞曼子能級(jí)之間產(chǎn)生感應(yīng)躍遷，稱為磁共振。（7）躍遷遵守選擇定則△F=0,原子將從的子能級(jí)向下躍遷到各子能級(jí)上，即大量原子由的能級(jí)躍遷,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)吸收入射的光而進(jìn)行新的抽運(yùn)，透過樣品泡的光就變?nèi)趿恕ｋS著抽運(yùn)過程的進(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)得偏極化，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度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此光抽運(yùn)與磁共振的過程就可以連續(xù)地進(jìn)行下去。也有類似的情況，只是光將抽運(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。投射到銣樣品泡上的光，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)過程和磁共振過程的信息，用光照射銣樣品，并探測透過樣品泡的光強(qiáng)，就實(shí)現(xiàn)了光抽運(yùn)—磁共振—光探測。在探測過程中射頻（Hz）光子的信息轉(zhuǎn)換成了頻率高的光頻(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)。實(shí)驗(yàn)儀器DH807A型光磁共振儀、電源、輔助源、射頻信號(hào)發(fā)生器、示波器組成。儀器參數(shù)水平場線圈掃場線圈垂直場線圈線圈匝數(shù)250250100有效半徑0.2408m0.2420m0.1530m實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整光路，預(yù)熱系統(tǒng)。觀測光抽運(yùn)信號(hào)。利用指南針判斷磁場方向。在方向按鍵彈出時(shí)，垂直磁場與地磁場垂直方向（同向、反向）、水平磁場與地磁場水平方向（同向，反向）、掃場的方向與地磁場水平方向（同向、反向）。利用光磁共振信號(hào)測量87Rb的gF因子和地磁場水平分量Be∥.無射頻場下觀察光抽運(yùn)信號(hào)。水平直流場電流I0=0.100A，方向與地磁場同向，調(diào)節(jié)掃場幅度至光抽運(yùn)信號(hào)出現(xiàn)在三角波波峰位置，后面的試驗(yàn)中保持掃場幅度不變。打開射頻信號(hào)，測量87Rb的對應(yīng)三角波波峰的共振峰射頻頻率μ1和μ2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理作υ-BDC曲線，求gF和Be∥。組數(shù)12345678910I(mA)200225250275300325350375400425υ1(kHz)3604105906407007508308909801060υ2(kHz)1320140014801560164017201810189019702070υ(kHz)840905103511001170123513201390147515BDC(T)0.6540.7350.8170.8990.9801.0621.1441.2251.3071.389×103×10線性擬合結(jié)果：υ=8×109BDC+217R2=0.9963由（7）式有hh兩式相加得：υ=a其中，υ=(υ1+υ2)/2a=gFμBB