近代物理實驗6-3光泵磁共振

1、近代物理實驗近代物理實驗 6-36-3光泵光泵磁共振磁共振 光泵磁共振是光抽運和磁共振結(jié)合在一起的物 理過程，與傳統(tǒng)的光譜技術(shù)相比具有更高的分辨率 和靈敏度，且克服了核磁共振中的一些限制因素， 在研究原子結(jié)構(gòu)、磁場精確測量、激光技術(shù)等領(lǐng)域 有著廣泛應(yīng)用。 本實驗通過光抽運下的磁共振測量過程，學(xué)習(xí) 觀察原子與輻射場相互作用過程中的量子躍遷。 1. 1.光抽運原理光抽運原理 銣(Z=37)是一價金屬元素，有兩種同位素，基態(tài)都是52S1/2， 最低激發(fā)態(tài)是52P1/2和52P3/2 ， 87Rb能級圖如下： 在D1 +照射下，由52S1/2到52P1/2躍遷情況如圖： a 為基態(tài)吸收躍遷 b 為激發(fā)

2、態(tài)自發(fā)輻射 由吸收躍遷選擇定則 L=+1, F= 1,0, mF=+1， 52S1/2態(tài)的mF=+2能級 粒子不能躍遷；由自發(fā)輻射選擇定則 L= -1, F= 0, 1, mF= 1 ，躍遷 后的粒子可以退回基態(tài)的mF=+2能級。結(jié)果是將原子不斷“抽運”到52S1/2 的mF=+2能級，造成各能級粒子分布不均，稱為偏極化。 2. 2.弛豫過程弛豫過程 光抽運造成大的粒子數(shù)差，使系統(tǒng)處于非熱平衡狀態(tài)。使 系統(tǒng)趨向于熱平衡分布的過程即弛豫。實驗中主要有以下過程： a.銣原子與器壁碰撞導(dǎo)致子能級間的躍遷 b.銣原子之間碰撞導(dǎo)致自旋自旋交換弛豫 c.銣原子與緩沖氣體間的碰撞 a、b過程會使系統(tǒng)失去偏極

3、化，且銣原子與器壁碰撞是失 去偏極化的主要原因，而c過程對偏極化基本無影響，故在樣 品泡中沖入緩沖氣體，大大減少了銣原子與器壁碰撞的機(jī)會， 可以保持高度偏極化。 3. 3.磁共振原理磁共振原理 4. 4.光磁共振光磁共振 塞曼能級差： E=gF BB 在垂直于B的方向加一射頻線偏振場，左 旋圓偏振場與原子磁矩進(jìn)動方向一致， 調(diào)節(jié)射頻場頻率與拉莫爾角頻率相等， 發(fā)生吸收或感應(yīng)躍遷： =E=gFBB 通過光抽運造成能級間顯著的粒子數(shù)差，滿足磁共振條件時， 發(fā)生感應(yīng)躍遷。測量D1 +光強(qiáng)的變化可得磁共振信號。 光泵磁共振實驗裝置光泵磁共振實驗裝置 全套實驗裝置方框圖全套實驗裝置方框圖 1. 1.觀察

4、光抽運信號觀察光抽運信號 使掃場線圈的方形波磁場與H地垂直相反，調(diào)節(jié)H水平及 H垂直為零，旋轉(zhuǎn)起偏鏡，觀察到部分光被吸收的信 號。調(diào)節(jié)起偏鏡透振方向和H垂直的大小，使吸收信 號達(dá)到最強(qiáng)，此時H垂直與H地垂直剛好抵消。 2. 2.測量測量87 87Rb Rb的的g gF F值值 h =gF BB a. b. 消除地磁場影響： 3. 3.測量地磁場測量地磁場 利用上一步中的關(guān)系式和已知的gF值，求出水平分量，與第一 步中的垂直分量疊加得到地磁場。 4. 4.測量共振信號線寬測量共振信號線寬 調(diào)節(jié)射頻頻率，使共振信號平移，頻 率改變量與平移量有以下關(guān)系： 5. 5.測量抽運時間和弛豫時間測量抽運時間和弛豫時間 T1為抽運時間，T2為弛豫時間 選三角波掃場，調(diào)節(jié)磁場大小和方向，使光抽運