实验八光磁共振

云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验八光磁共振学生姓名：马晓娇学号：物理科学技术学院物理系2013级天文菁英班专业指导老师：何俊试验时间：2015年9月17日13时00分至18时00分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学(演示□验证□综合□设计□)学生科研□课外开放□测试□其它□成绩云南大学物理实验教学中心实验报告1一、实验目的1.了解光抽运的基本原理；2.掌握光磁共振实验技术；3.测量气态Rb原子的g因子；4.测量地磁场强度。二、实验原理光汞磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程。本实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是铷（rb）的气态自由原子。(一)铷（Rb）原子能级的超精细结构与塞曼分裂原子能级的超精细结构是原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用产生。当原子位于弱磁场中时，原子的总磁矩和磁场相互作用，将使能级进一步分裂形成塞曼子能级，这就是塞曼分裂。铷是一价的碱金属，天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。铷的价电子处于第5壳层，即主量子数n=5。主量子数为n的电子，其轨道量子数L=0,1····n-1。基态的L=1，最低激发态的L=1。电子自旋量子数S=1/2。电子轨道角动量lP与自旋角动量sP的LS耦合，使原子能级具有精细结构，电子的总角动量为JLSPPPJ表示电子的总角动量量子数，则有,1JLSLSLS铷的基态，轨道量子数0L,自旋量子数1/2S,只有1/2J的一个态21/25S。铷的最低激发态，轨道量子数1L,自旋量子数1/2S,为双重态221/21/255SS态，其总角动量量子数分别为3/2J和1/2J。5P于5S能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第1条线，为双线。它在铷灯光谱中的强度是很大的。221/21/255SS跃迁产生波长为7947.6A的D1谱线，221/21/255SS跃云南大学物理实验教学中心实验报告2迁产生波长7800A的D2谱线。原子的价电子在LS耦合中，其总角动量lP与电子总磁矩jU的关系为：2jjjegpmjg为朗德因子。核也具有自旋和磁矩。核磁矩与总磁矩之间相互作用形成了原子的超精细结构。铷的两种同位素的自旋量子数I是不同的。核自旋角动量lP与电子总角动量jP耦合成原子的总动量角FP，有IFJPPPJI耦合成的超精细结构级能级，由F量子数标记。F,1FIJIJIJ87Rb的3/2I,它的基态1/2J，具有2,1FF的两种状态。85Rb的5/2I，它的基态是1/2J，具有2,3FF两种状态。整个原子的总角动量FP与总磁矩F之间的关系则为2FFFegPm,其中的朗德因子Fg可按类似于jg因子的方法求出。考虑到核磁矩比电子磁矩约3个数量级，F实际上为j在FP方向上的投影，从而得到(1)(1)(1)2(1)FiFFJJIIggFF当外原子处于外磁场B中，由于总磁矩FP和磁场B的相互作用，原子的能级将发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数FM表征塞曼子能级，则,1FMFFF即能级分裂成2F+1个间距相等的子能级。原子的总磁矩F与磁场B的相互作用能为：(/2)22FFFFFFFBeeEBgPBgMhpiBgMBmm各相邻塞曼子的能极差为：FBEgB(1)(二)圆偏振光对铷原子的激发与光轴运效应光抽运的基础是光子和原子之间的相互作用。一定频率的光可引起原子云南大学物理实验教学中心实验报告3能级之间的跃迁。在磁场中，偏振光只能引起某些特定塞曼能级之间的跃迁。对于左旋偏正光即光，角动量为+h，根据角动量守恒定律，其选择定则为0,1,1FM。87Rb原子的221/21/255SS态的塞曼能级的FM最大值都为+2。因此，当用的D1光照射时，不能激发基态中2FM能级上的原子向上跃迁。当从221/21/255SS态自发跃迁时，选择定则为0,1,1FM和0,1,1FMM。原子几乎以相等的几率回到基态的各塞曼能级上，包括2FM上的能级。由于基态中2FM上的原子不能吸收光向上跃迁，当继续用光照射原子就会被抽运到2FM的子能级上。粒子在个能级间的分部出现非平衡，这种非平衡分布称为量子偏极化。光抽运的目的就是造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振跃迁实验了。（三）弛豫过程在热平衡条件下，任意两个能级1E和2E上粒子数之比都能服从玻尔兹曼分布1/12/EKNNe,E为能级差，12,NN为两个能级上的原子数，1K是玻尔兹曼常数。由于能级差极小，可近似认为各个能级上的电子数是相等的。光抽运增大了粒子聚集数的差别，是系统处于非热平衡态分布状态。弛豫过程是系统由非热平衡分布恢复到平衡分布状态的过程。促使系统趋向平衡的机制是原子之间以及原子与其他物质之间的相互作用。在实验过程中要保持原子分部程度有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回玻尔兹曼分布的趋势。（四）塞曼子能级的磁共振和光探测在弱磁场中，相邻塞曼子能级间的能量差已有（1）给出。设在垂直于恒定磁场B的平面内，加一个频率为的射频磁场B1，当满足磁共振条件：mFFBhEgB(2)时，那么2FM和1FM能级之间将发生磁共振。同时，由于抽运光的存在，那些从2FM通过磁共振跃迁到1FM的粒子将会跃迁到激发态，而处于激发态的粒子也将再返回到基态的2FM的能级，从而使粒子数的分布达到一种云南大学物理实验教学中心实验报告4新的平衡态。即为，当有磁共振存在时，基态2FM的能级上的粒子数，要小于没有磁共振时的粒子数，而对照射D1光的吸收也大大增加。照射在样品上的1D光，一方面抽运了原子，另一个方面，由于磁共振的存在会增加原子对1D光的吸收，因此可以通过测量透射光强来得到磁共振信号。射频频率和外磁场两者可以固定一个，改变另为一个以满足磁共振条件（2）。改变频率称为扫频法，改变磁场称为扫场法。三、实验内容及步骤（一）调节仪器1.用指南针确定地磁场方向,调整主体装置的光轴使之与地磁场水平方向平行.2.将”垂直场”,”水平场”,”扫场幅度”旋钮调制最小,按下持温开关.然后接通电源线,按下电源开关.约30分钟后,灯温/池温指示灯点亮,实验装置进入工作状态.3.调节主体装置的光学元件等高共轴.4.调节偏正片及1/4波片,使1/4波片的光轴与偏正光偏振方向的夹角为π/4以获得圆偏振光.（二）观察光抽运信号扫场方式选择”方波”,预置垂直磁场电流为0.07A左右,用来抵消地球磁场垂直分量.调解扫场幅度.在刚加上磁场瞬间,各塞曼子1上的粒子数相等,样品对D1光吸收最强.随着离子被抽运到2FM子能级，样品D1光的吸收减少，透射光也逐渐增强。当2FM能级上的粒子达到饱和，则透射光达到最大值，然后不再变化。当磁场降到零后并反向，塞曼能级则由分裂到简并时原子已退偏极化，所以当能级再分裂时，透射光再一次发生由小到大的变化过程,因此用方波扫场时光抽运信号所示。后旋转偏转片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。再调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。观察下面几种情况下，光抽运信号的差异。1，水平、垂直磁场为零，扫场与地磁方向相反；2，扫场与地磁同向，改变垂直磁场的大小和方向；3，扫场与地磁同向，改变水平磁场的大小及方向；（三）观察磁共振信号扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预制为0.7A左右，并使水平磁场云南大学物理实验教学中心实验报告5方向与地磁场水平分量和扫场方向相同。垂直磁场的大小和偏振镜的角度保持前面的状态不变。调节射频信号发生器频率可以观察到共振信号，对应波形，可读出频率1及对应的水平场电流I。再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平方向和扫场方向相反。同样可以得到2。这样水平磁场所对应的频率为12/2，即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。（四）测量地磁场与测Fg因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得1。再改变扫场及水平场方向开关，使扫场和水平场方向与地磁场水平方向相反，又的2。这样地磁场水平分量所对应的频率为122从（1）式中得到地磁场水平分量为：BFhBg因为垂直磁场正好抵消地磁场的垂直分量，从垂直磁场电流垂直亥姆霍兹线圈参数，可以确定地磁场垂直分量的数值。由于磁场水平分量和·地磁场垂直分量的矢量和可求得地磁场。四、注意事项1、在实验过程中应注意区分8785/RbRb的共振谱线，当水平磁场不变时，频率高的为87Rb共振谱线，频率低的为85Rb的共振谱线。2、在精确测量时。为避免吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响测量的准确性，可短时间断掉池温电源。3、为避免光线影响信号幅度及线型，必要时主体单元应当罩上遮光罩。4、在实验过程中，本装置主体单元一定要避开其他带有铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线。五、实验数据处理云南大学物理实验教学中心实验报告6（四）测量地磁场水平磁场垂直磁场正方向0.5460.071反方向0.3930.071光磁共振线圈参数：水平场扫场垂直场匝数N250250100半径（有效）r0.2389m0.242m0.1530m33/216105NHIT33/216105NBIr式中：N--------线圈每边匝数；r--------线圈有效半径，m；I--------流过线圈的电流，A；B--------磁场强度，GS；H--------磁线，GS；垂直磁场：303/216100.2095NBIr水平磁场：设地磁场水平方向的场强为1B，扫场的场强为2B1211220.5490.4710.3930.078BBBGSBBBGS地磁场：2222010.2090.4710.515BBBGS实验指导老师签名学生签名实验指导老师填写1、实验记录是否完整准确□2、有无涂改抄袭现象□云南大学物理实验教学中心实验报告7六、误差分析1.用指南针确定磁场方向时，主体装置的光轴未能与地磁场水平方向精确平行；2.当在示波器中观察波形确定光抽运波形与扫场波形共振时，因为是肉眼观察，存在较大误差；七、思考题1、为什么当磁场通过零点时，原子中已形成的偏极化要消失答：若不消失的话，就无法获得能量，也无法形成能量场去穿过磁场。评分内容预习操作数据处理与分析实验报告其他综合评定成绩分数教师评语：签字：备注：