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1、光磁共振,物理学院近代物理实验中心,实验背景 光磁共振技术是20世纪50年代初期法国物理学家卡斯特勒(A Kastler)提出的。1966年， Kastler由于在这方面的贡献而荣获诺贝尔奖。该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。将光抽运用圆偏光束激发气态原子的方法以打破原子在所研究的能级间玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高共振强度。在相应频率的射频场激励下，可观察到磁共振信号。,在探测磁共振信号方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射吸收。由于光量子的能量比射频量高七、八个数量级，所以探测信号的灵敏度
2、得以提高。,实验目的 1、通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识； 2、掌握光磁共振的实验技术； 3、测定铷原子的朗德因子(g)和地磁场的强度。,实验原理,一般磁共振技术,无法进行气态样品的观测,因为气态样品的浓度比固态或液态样品低几个数量级,共振信号非常弱.光磁共振是把光抽运、磁共振和光探测技术有机的结合起来,以研究气态原子精细结构和超精细结构的一种实验方法. 光抽运就是利用圆偏振光激发气态原子，以打破原子在所研究能级间的热平衡的玻尔兹曼分布,造成能级间所需要的粒子数差,以便在低浓度下提高磁共振信号强度.,光泵磁共振采用光探测方法,即探测原子对光量子的吸收而不是采用一般磁共
3、振的探测方法,即直接探测原子对射频量子的吸收.因为光量子能量比射频量子的能量高几个数量级,因而大大提高了探测灵敏度. 光磁共振实验中都以铷(Rb)原子气体为样品,它有 和 两种同位素.以 为例,它的原子能级的超精细结构式原子的核磁矩与电子磁矩相互作用产生的.,铷原子结构,研究对象：铷(Rb)的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,n-1,电子自旋量子数S=1/2. 原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用(L-S耦合)发生能级分裂。 铷原子基态和最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,由表可见,铷原子基态是 (L=0,
4、S=1/2, J=L+S=1/2)能级,最低激发态为5p能级.原子中电子的轨道角动量和自旋角动量在LS耦合下分裂为 和 (L=1,S=1/2,J=L-S=1/2和J=L+S=3/2)能级.因此, 5s和5 p能级间的跃迁产生两条波长相近的谱线 和 . 原子中电子的轨道磁矩为 自旋磁矩为 其中 和 电子轨道角动量和电子自旋角动量.,和 为相应的g因子,e和 为电子的电荷和质量. LS耦合时，合成的总磁矩为 如果在LS耦合的基础上进一步考虑原子核自旋对能级的影响,铷原子的两种同位素,由于中子数的不同, 和 的核自旋量子数I分别为3/2和5/2,即在I-J耦合(核磁矩和电子磁矩的耦合)下，5s和5p
5、能级将再次分裂，称超精细结构能级.耦合后的量子数F=I+J+,I-J, 的F=2,1, 的F=3,2.,当原子位于外磁场B中，由于原子的总磁矩与磁场的相互作用，原子超精细结构能级又会分裂为2F+1个等间距的塞曼能级. 其中量子数 , 是玻尔磁子. 由于 ,因此，相邻塞曼能级的能级间距为,能级图,的基态为为 即L=0, S=1/2, J=L+S=1/2,而核自旋量子数为I=3/2，所以总量子数F=I+J或I-J，即F=2或1. 当铷原子处于磁场B中时,原子总磁矩与磁场相互作用时能级进一步分裂成等间距的塞曼能级,能级为： 式中 为磁量子数,相邻的子能级间的能量差为,其中： 对于 基态 ， , 当F
6、=2时,可得 对于 基态 ，当F=3时,得 由于分裂的塞曼能级间的能量差很小,可以认为原子在塞曼能级上的分裂是均匀的，所以光磁共振实验要用铷光谱灯产生的D1谱线的左旋圆偏振光 照射样品铷原子上，使之产生光抽运效应.于是大量粒子被抽运到 基态 的子能级上, 从而出现了粒子数的不,均匀分布，即“偏极化”，此时如果在垂直于外磁场B 的方向上加以射频磁场,当射频场频率为 满足 则塞曼子能级之间将产生感应跃迁,称为磁共振.此时透过样品铷的 的光就减弱了,如用一光电探测器来收集透射光，则将输出一个负向的电压脉冲信号,即共振吸收信号,可将其送至示波器上进行显示.,当抽运效应开始时，样品会吸收794 的 共振
7、光的能量,使穿过样品的光强度减弱,达到饱和时，停止吸收能量,光强度增加，这样就形成了光抽运信号.当光抽运过程完成后，样品偏极化，此时光吸收停止.,实验装置,2、对Z轴的力矩,实验内容,一、调节仪器 1、用指南针测量地磁场方向，使主体光轴与地磁场水平方向平行。 2、调节面板 ( a )确定水平线圈、竖直线圈和扫场线圈与其换向开关之间的对应关系； ( b )调节主体单元光学元件处于等高位置，调整透镜的位置以得到较好平行光束； ( c ) 按下预热键，加热铷样品泡在4060摄氏度。,2、观测光抽运信号,扫场方式选择方波,调大扫场幅度,将指南针置于吸收 池上边,分别判断出扫场方向和水平场方向,并记录下
8、来. 此时设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反.水平场取 零(仪器本身有一点值).取去指南针后用黑布遮盖主体单 元,避免光电探测器接受到其它杂散光,影响信号幅度和 线型.预置垂直场电流的大小为0.06A,用来抵消垂直分量. 正确选取方向，即与地磁场垂直分量反相,即可观测到光 抽运信号.再多次调节旋转偏振片的角度,扫场幅度,垂直 场大小,使光抽运信号最佳.再仔细调节光路聚焦,使光抽 运信号幅度最佳.,在示波器上观察到光抽运信号，得到如下图所示的扫场与光抽运信号的对照图。,3、观测光磁共振信号,在获得最佳的光抽运信号的基础上,改用三角波作为扫 场,开启射频信号源,对Rb吸收泡施加射频磁场,用水平
9、磁场线圈产生一水平磁场(地磁场垂直分量已抵消),连 续调节射频信号源的频率,即可在示波器上得到共振信 号.,3、测量光磁共振信号,(a)测量g 加上方向同地磁场水平方向相同的三角波扫场以及频率为 的射频磁场，调节频率的大小，观察磁共振信号，数学表达式为： 假设频率为 时观察得到磁共振信号，这时：,当水平场反向，频率为 时得到的另一个共振信号，此时：,由此可得朗德因子：,需要注意的是：铷原子有两种同位素，所以会出现两次共振信号，频率高的为 共振信号,频率低的为 共振信号。,得到的信号图如下：,(b)测量地磁场,测量方法同上，这次需要先上三者同向，然后同时改变扫场和水平场，使它们与地磁场的水平分量方向相反，此时：,地磁场水平分量为：,因为垂直磁场正好抵消地磁场的垂直分量，从面板上的数字显示可知垂直场电流以及仪器说明书上提供亥姆霍兹线圈参数，可以确定地磁场垂直分量的数值，地磁场的水平分量和垂直分量的矢量和即为地磁场。,实验注意事项,(1)在实验过场中应注意区分 和 的共振谱线。当水平磁场不变时，频率高的为 的共振谱线，频率低的为 的共振谱线。当射频频率不变时，水平磁场大的为 的共振谱线，水平磁场小的为 的共振谱线； (2)为避免光线影响信号幅度和线型，主体单元应罩上遮光罩； (3)实验过程中，一定要避开其它带有铁磁性物质，强电磁场和大功率电源线。,