磁共振技術(shù)實驗報告

1、 PAGE 15磁共振技術(shù)實驗報告 【摘要】磁共振指磁矩不為零的物質(zhì)處于恒定磁場中，由于射頻或微波電磁場引起磁能級之間的共振躍遷現(xiàn)象。本實驗主要涉及到磁共振技術(shù)中的三個實驗，分別為順磁共振、核磁共振、光磁共振實驗，討論影響實驗信號的因素，并分析三種共振實驗的特點。通過順磁實驗主要了解微波順磁共振的概念和原理，使用微波進行電子順磁共振實驗，計算出原子的g因子；通過核磁共振實驗測定有關(guān)物理量，認識磁共振的一般特性。觀測核磁共振的測量原理和實驗方法；通過光磁共振實驗了解掌握光抽運和光檢測的原理和實驗方法，加深對超精細結(jié)構(gòu)，光躍遷及磁共振的理解，測定銣87及銣85的g因子，地磁場垂直和水平分量。盡管這

2、些這些磁共振各有特點，但有著共同的原理和方法，因此本實驗還有一主要目的是找到他們的發(fā)展特點并引發(fā)思考技術(shù)的未來發(fā)展方向?！娟P(guān)鍵字】 順磁共振 核磁共振 光磁共振 g 因子【引言】磁共振是指磁矩不為零的原子或原子核在穩(wěn)恒磁場作用下對電磁輻射能的共振吸收現(xiàn)象。如果共振是由原子核磁矩引起的, 則該粒子系統(tǒng)產(chǎn)生的磁共振現(xiàn)象稱核磁共振(簡寫作NMR)；如果磁共振是由物質(zhì)原子中的電子自旋磁矩提供的,則稱電子自旋共振(簡寫ESR),亦稱順磁共振(寫作EPR)。此外，還有以其他物理特征為標志的共振現(xiàn)象，建立在光抽運基礎(chǔ)上的光泵磁共振。盡管這些磁共振各有特點，但有著共同的原理和方法。【正文】 磁共振是在固體微觀

3、量子理論和無線電微波電子學技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)的。1945年首先在順磁性Mn鹽的水溶液中觀測到順磁共振，第二年，又分別用吸收和感應(yīng)的方 法發(fā)現(xiàn)了石蠟和水中質(zhì)子的核磁共振；用波導(dǎo)諧振腔方法發(fā)現(xiàn)了Fe、Co和Ni薄片的鐵磁共振。1950年在室溫附近觀測到固體Cr2O3的反鐵磁共振。1953年在半導(dǎo)體硅和鍺中觀測到電子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后從理論上預(yù)言和實驗上觀測到亞鐵磁共振。隨后又發(fā)現(xiàn)了磁有序系統(tǒng)中高次模式的靜磁型共振(1957)和自旋波共振(1958)。1956年開始研究兩種磁共振耦合的磁雙共振現(xiàn)象。這些磁共振被發(fā)現(xiàn)后，便在物理、化學、生物等基礎(chǔ)學科和微波技術(shù)、量子電子學

4、等新技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如順磁固體量子放大器,各種鐵氧體微波器件,核磁共振譜分析技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)及利用磁共振方法對順磁晶體的晶場和能級結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和生物分子結(jié)構(gòu)等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩參數(shù)的測定也是以各種磁共振原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。一、磁共振基本原理 磁共振(回旋共振除處)其經(jīng)典唯象描述是：HYPERLINK /view/21855.htm原子、電子及核都具有角動量,其磁矩與相應(yīng)的角動量之比稱為磁旋比。磁矩M 在磁場B中受到轉(zhuǎn)矩MBsin(為M與B間夾角)的作用。此轉(zhuǎn)矩使HYPERLINK /view/132270.htm磁矩繞磁場作進動運動,進動的角頻率=

5、B,o稱為拉莫爾頻率。由于阻尼作用,這一進動HYPERLINK /view/481094.htm運動會很快衰減掉，即M達到與B平行，進動就停止。但是,若在磁場B的垂直方向再加一高頻磁場b()（角頻率為）,則b()作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使M離開B,與阻尼的作用相反。如果高頻磁場的角頻率與磁矩進動的拉莫爾（角）頻率相等 =o,則b()的作用最強，磁矩M的進動角（M與B角的夾角）也最大。這一現(xiàn)象即為磁共振。 磁共振也可用量子力學描述:恒定磁場B使磁自旋系統(tǒng)的基態(tài)能級劈裂，劈裂的能級稱為塞曼能級（見HYPERLINK /view/99069.htm塞曼效應(yīng)），當自旋量子數(shù)S=1/2時，其裂距墹EgBB,g為H

6、YPERLINK /view/2389278.htm朗德因子, 為HYPERLINK /view/1677908.htm玻爾磁子，e和me為電子的電荷和質(zhì)量。外加垂直于B的高頻磁場b()時,其光量子能量為啚。如果等于塞曼能級裂距,啚gBB啚B，即=B（啚=h/2，h為HYPERLINK /view/44352.htm普朗克常數(shù)）,則自旋系統(tǒng)將吸收這能量從低能級狀態(tài)躍遷到高能級狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），這稱為磁塞曼能級間的共振躍遷。HYPERLINK /view/3028.htm量子描述的磁共振條件B，與唯象描述的結(jié)果相同。 當M是順磁體中的原子(離子) 磁矩時,這種磁共振就是順磁共振。當M是鐵磁體中的H

7、YPERLINK /view/201619.htm磁化強度（單位體積中的磁矩）時,這種磁共振就是鐵磁共振。當M=Mi是亞鐵磁體或反鐵磁體中第i個磁亞HYPERLINK /view/545607.htm點陣的磁化強度時,這種磁共振就是由 i個耦合的磁亞點陣系統(tǒng)產(chǎn)生的亞鐵磁共振或反鐵磁共振。當M是物質(zhì)中的核磁矩時,就是核磁共振。這幾種磁共振都是由自旋磁矩產(chǎn)生的，可以統(tǒng)一地用經(jīng)典唯象的旋磁方程dM/dt=MBsin相應(yīng)的矢量方程為d M/dt=( MB來描述。二、磁共振基本實驗方法通常，當外加恒定磁場Be在0.11.0T(材料的內(nèi)磁場BBe)時，各種與電子有關(guān)的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率

8、則在射頻頻段。這是因為原子核質(zhì)量與電子質(zhì)量之比約為10倍的緣故。雖然觀測這兩類磁共振分別應(yīng)用微波技術(shù)和無線電射頻技術(shù)，但其實驗裝置的組成與測量原理卻是類似的。磁共振實驗裝置由微波（或射頻）源、共振系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成。微波(或射頻)源產(chǎn)生一定角頻率（或頻率掃描）的電磁振蕩, 送到裝有樣品的共振系統(tǒng)（共振腔或共振線圈），共振系統(tǒng)中的高頻磁場b回旋共振時為電場E()與磁場系統(tǒng)產(chǎn)生的恒定磁場B 垂直, 當保持源的頻率不變而改變恒定磁場強度（磁場掃描），或保持恒定磁場強度不變而改變源的頻率（頻率掃描），達到共振條件=H 時,檢測系統(tǒng)便可測得樣品對高頻電磁能量的吸收Pa與磁場B（或頻率）的關(guān)系,

9、即共振吸收HYPERLINK /view/400.htm曲線。在共振信號微弱（例如核磁共振或順磁共振）的情況下，可以采用調(diào)制技術(shù)，測量共振吸收微分曲線，以提高檢測靈敏度。磁共振的重要參數(shù)是發(fā)生最大共振吸收的共振磁場Bo、共振線寬（相應(yīng)于最大共振吸收一半的磁場間隔）B、共振吸收強度（最大吸收P或共振曲線面積）和共振曲線形狀（包括對稱性和精細結(jié)構(gòu)等）。當共振曲線為HYPERLINK /view/5802.htm洛倫茲線型時，共振微分曲線的極值間隔Bpp與共振線寬B具有簡單的關(guān)系。在采用頻率掃描代替磁場掃描時,相應(yīng)的共振曲線和參數(shù)中的磁場B都換為角頻率,如共振頻率o，共振線寬等。在特殊情況下，還可以

10、采用脈沖源、傅里葉變換、多次累積等技術(shù)來提高靈敏度或分辨率等。 三、實驗涉及的磁共振技術(shù)（一）核磁共振 核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁場中由電磁波引起的共振躍遷現(xiàn)象。它是測定原子的核磁矩和研究核結(jié)構(gòu)的直接而又準確的方法，也是精確測量磁場和穩(wěn)定磁場的重要方法之一。 電子順磁共振共振躍遷只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁材料中，因此被稱為電子順磁共振；因為分子和固體中的磁矩主要是自旋磁矩的貢獻所以又被稱為電子自旋共振。簡稱“EPR”或“ESR”。由于電子的磁矩比核磁矩大得多，在同樣的磁場下，電子順磁共振的靈敏度也比核磁共振高得多。在微波和射頻范圍內(nèi)都能觀察到電子順磁現(xiàn)象，本實驗使用微波進

11、行電子順磁共振實驗。一、發(fā)展過程核磁共振的物理基礎(chǔ)是原子核的自旋。泡利在1924年提出核自旋的假設(shè)，1930年在實驗上得到證實。1932年人們發(fā)現(xiàn)中子，從此對原子核自旋有了新的認識：原子核的自旋是質(zhì)子和中子自旋之和，只有質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)兩者或者其中之一為奇數(shù)時，原子核具有自旋角動量和磁矩。這類原子核稱為磁性核，只有磁性核才能產(chǎn)生核磁共振。磁性核是核磁共振技術(shù)的研究對象。1945年12月，美國哈佛大學帕塞爾等人，報道了他們在石蠟樣品中觀察到質(zhì)子的核磁共振吸收信號；1946年1月，美國斯坦福大學布洛赫等人，也報道了他們在水樣品中觀察到質(zhì)子的核感應(yīng)信號。兩個研究小組用了稍微不同的方法，幾乎同時在凝聚物

12、質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了核磁共振。因此，1945年發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象的美國科學家珀塞耳（Purcell）和布珞赫（Bloch）1952年獲得諾貝爾化學獎。以后，許多物理學家進入了這個領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。目前，核磁共振已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到許多學科領(lǐng)域，是物理、化學、生物、臨床診斷、計量科學和石油分析與勘探等研究中的一項重要實驗技術(shù)。 電子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它來解釋某種元素的光譜精細結(jié)構(gòu)獲得成功.Stern和Ger1aok也以實驗直接證明了電子自旋磁矩的存在。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振(NMR)現(xiàn)象

13、十分相似，所以1945年P(guān)urcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR實驗技術(shù)后來也被用來觀測ESR現(xiàn)象。EPR現(xiàn)象首先是由蘇聯(lián)物理學家EK扎沃伊斯基于1944年從MnCl2、CuCl2等 HYPERLINK /view/266603.htm t _blank 順磁性鹽類發(fā)現(xiàn)的。物理學家最初用這種技術(shù)研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題。以后化學家根據(jù)EPR測量結(jié)果，闡明了復(fù)雜的有機化合物中的化學鍵和電子密度分布以及與反應(yīng)機理有關(guān)的許多問題。美國的B康芒納等人于1954年首次將EPR技術(shù)引入生物學的領(lǐng)域之中，他們在一些植物與動物材料中觀察到有自由基

14、存在。60年代以來，由于儀器不斷改進和技術(shù)不斷創(chuàng)新，EPR技術(shù)至今已在物理學、半導(dǎo)體、有機化學、絡(luò)合物化學、輻射化學、化工、海洋化學、催化劑、生物學、生物化學、醫(yī)學、環(huán)境科學、地質(zhì)探礦等許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。ESR己成功地被應(yīng)用于順磁物質(zhì)的研究,例如發(fā)現(xiàn)過渡族元素的離子；研究半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷；離子晶體的結(jié)構(gòu)；金屬和半導(dǎo)體中電子交換的速度以及導(dǎo)電電子的性質(zhì)等。所以,ESR也是一種重要的近代物理實驗技術(shù)。 實驗裝置（一）核磁共振實驗裝置（二）順磁共振實驗裝置 由電磁鐵系統(tǒng)，微波系統(tǒng)和電子檢測系統(tǒng)等組成。1微波系統(tǒng)：三厘米固態(tài)信號源隔離器可變衰減器波長計調(diào)配器檢波器諧振腔2魔T：魔T示意圖

15、魔 T是一個具有與低頻電橋相類似特征的微波元器件，如圖所示。它有四個臂，相當于一個ET和一個HT組成，故又稱雙T，是一種互易無損耗四端口網(wǎng)絡(luò)，具有“雙臂隔離，旁臂平分”魔T示意圖 當輸出的微波信號經(jīng)隔離器、衰減器進入魔 T的H臂，同相等分給2，3臂，而不能進入E臂。3臂接單螺調(diào)配器和終端負載；2臂接可調(diào)的反射式矩形樣品諧振腔，樣品DPPH在腔內(nèi)的位置可調(diào)整。E臂接隔離器和晶體檢波器；2，3臂的反射信號只能等分給E，H臂，當3臂匹配時，E臂上微波功率僅取自于2臂的反射。3. 樣品腔諧振腔示意圖樣品腔結(jié)構(gòu)，是一個反射式終端活塞可調(diào)的矩型諧振腔。諧振腔的末端是可移動的活塞，調(diào)節(jié)活塞位置，使腔長度等于

16、半個波導(dǎo)波長的整數(shù)倍時，諧振腔諧振。當諧振腔諧振時，電磁場沿諧振腔長L方向出現(xiàn)P個長度駐立半波。腔內(nèi)閉合磁力線平行于波導(dǎo)寬壁，且同一駐立半波磁力線的方向相同、相鄰駐立半波磁力線的方向相反。在相鄰兩駐立半波空間交界處，微波磁場強度最大，微波電場最弱。滿足樣品磁共振吸收強，非共振的介質(zhì)損耗小的要求，所以，是放置樣品最理想的位置。諧振腔示意圖4. 磁場系統(tǒng) 由電磁鐵，勵磁電源和調(diào)場電源組成，用于產(chǎn)生外磁場B= BD +BAcost。勵磁電源接到電磁鐵直流繞組，產(chǎn)生BD通過調(diào)整勵磁電流改變BD。調(diào)場電源接到電磁鐵交流繞組，產(chǎn)生BAcost，并經(jīng)過相移電路接到示波器X軸輸入端。5電子儀器：微安表、示波器

17、、特斯拉計三、實驗設(shè)計（一）核磁共振實驗步驟設(shè)計1. 校準永久磁鐵中心的磁場Bo 把樣品為水（摻有三氟化鐵）的探頭下端的樣品盒插入到磁鐵中心，并使電路盒水平放置在磁鐵上方的機座上，左右移動電路盒使它大致處于機座的中間位置，將電路盒背面的“頻率測試”和“共振信號”分別與頻率計和示波器連接，把示波器的掃描速度旋鈕放在5ms/格位置，縱向放大旋鈕放在0.1V/格或0.2V/格位置，打開頻率計，示波器和邊限振蕩器的電源開關(guān)，這時頻率計應(yīng)有讀數(shù)，接通可調(diào)變阻器電流到中間位置，緩慢調(diào)節(jié)邊限振蕩器的頻率旋鈕，改變振蕩頻率（由小到大或由大到小）同時監(jiān)視示波器，搜索共振信號。水的共振信號將出現(xiàn)尾波振蕩，而且磁場

18、越均勻尾波中的振蕩次數(shù)越多。因此一旦觀察到共振信號以后，應(yīng)進一步仔細調(diào)節(jié)電路盒在木座上的左右位置，使尾波中振蕩的次數(shù)最多，即使探頭處在磁鐵中磁場最均勻的位置，并利用木座上的標尺記下此時電路盒邊緣的位置。 作為定量測量，我們除了要求出待測量的數(shù)值外，還關(guān)心如何減小測量誤差并力圖對誤差的大小作出定量估計從而確定測量結(jié)果的有效數(shù)字，從圖可以看出，一旦觀察到共振信號，B0的誤差不會超過掃場的幅度。 現(xiàn)象觀察：適當增大，觀察到盡可能多的尾波振蕩，然后向左（或向右）逐漸移動電路盒在木座上的左右位置，使下端的探頭從磁鐵中心逐漸移動到邊緣，同時觀察移動過程中共振信號波形的變化并加以解釋。2. 測量F19的g因

19、子 把樣品為水的探頭換為樣品為聚四氟乙烯的探頭，并把電路盒放在相同的位置，示波器的縱向放大旋鈕調(diào)節(jié)到50mV/格或20mV/格，用與校準磁場過程相同的方法和步驟測量聚四氟乙烯中F19與B0對應(yīng)的共振頻率vN。以及在峰頂及谷底附近的共振頻率F及F，利用vF和公式（9）求出F19的g因子，根據(jù)公式（9），g因子的相對誤差為 式中B0和B0為校準磁場得到的結(jié)果。求出g/g之后可利用已算出的g因子求出絕對誤差g，g也只保留一位有效數(shù)字并由它確定g的有效數(shù)字，最后給出g因子測量結(jié)果的完整表達式。觀測聚四氟乙烯中氟的共振信號時，比較它與摻有三氟化鐵的水樣品中質(zhì)子的共振信號波形的差別。（二）順磁共振實驗步驟

20、設(shè)計 1. 連接系統(tǒng),將可變衰減器順時針旋至最大, 開啟系統(tǒng)中各儀器的電源,預(yù)熱20分鐘。 2. 將磁共振實驗儀器的旋鈕和按鈕作如下設(shè)置: “磁場”逆時針調(diào)到最低,“掃場” 逆時針調(diào)到最低，按下“調(diào)平衡/Y軸”按鈕（注：必須按下），“掃場/檢波”按鈕彈起，處于檢波狀態(tài)。（注：切勿同時按下）。 3. 將樣品位置刻度尺置于90mm處,樣品置于磁場正中央。 4. 將單螺調(diào)配器的探針逆時針旋至“0刻度。 5. 信號源工作于等幅工作狀態(tài),調(diào)節(jié)可變衰減器使調(diào)諧電表有指示，然后調(diào)節(jié)“檢波靈敏度”旋鈕, 使磁共振實驗儀的調(diào)諧電表指示占滿度的2/3以上。樣品諧振腔中的駐波分布示意圖 6. 用波長表測定微波信號的

21、頻率,方法是：旋轉(zhuǎn)波長表的測微頭，找到電表跌破點，查波長表刻度表即可確定振蕩頻率，使振蕩頻率在9370MHz左右，如相差較大,應(yīng)調(diào)節(jié)信號源的振蕩頻率,使其接近9370MHz的振蕩頻率。測定完頻率后,將波長表旋開諧振點。樣品諧振腔中的駐波分布示意圖 7. 為使樣品諧振腔對微波信號諧振，調(diào)節(jié)樣品諧振腔的可調(diào)終端活塞，使調(diào)諧電表指示最小，此時，樣品諧振腔中的駐波分布如圖所示。 8. 為了提高系統(tǒng)的靈敏度，可減小可變衰減器的衰減量，使調(diào)諧電表顯示盡可能提高。然后，調(diào)節(jié)魔T另一支臂單螺調(diào)配器探針，使調(diào)諧電表指示更小。若磁共振儀電表指示太小，可調(diào)節(jié)靈敏度，使指示增大。 9. 按下“掃場”按鈕。此時調(diào)諧電表

22、指示為掃場電流的相對指示，調(diào)節(jié)“掃場”旋鈕使電表指示在滿度的一半左右。 10. 由小到大調(diào)節(jié)恒磁場電流，當電流達到1.7到2.1A之間時,示波器上即可出現(xiàn)如圖所示的電子共振信號. 11. 若共振波形值較小,或示波器圖形顯示欠佳，可采用以下方法：將可變衰器反時針旋轉(zhuǎn),減小衰減量，增大微波功率。正時針調(diào)節(jié)“掃場”旋鈕,加大掃場電流。提高示波器的靈敏度。調(diào)節(jié)微波信號源震蕩腔法蘭盤上的調(diào)節(jié)釘，可加大微波輸出功率。 12. 若共振波形左右不對稱,調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器的深度及左右位置,或改變樣品在磁場中的位置，通過微調(diào)樣品諧振腔可是共振波形成為圖中(a)所示的波形。 13. 若出現(xiàn)圖中（b）的雙峰波形,調(diào)節(jié)“調(diào)

23、相旋鈕即可使雙峰波形重合。 14. 用高斯計測得外磁場B0，用公式(2)計算g因子（g因子一般在1.95到2.05之間）.三、光磁共振(一)光磁共振的發(fā)展 1966年諾貝爾物理學獎授予法國巴黎大學，高等師范學校的卡斯特勒（Alfred Kastler，19021984），以表彰他發(fā)現(xiàn)和發(fā)展了研究原子中赫茲共振的光學方法。 二十世紀上半葉，光譜學的研究提供了大量有關(guān)原子分子結(jié)構(gòu)的實驗數(shù)據(jù)。由于雷達技術(shù)的發(fā)展，在四十年代末興起了射頻和微波波譜學。這些頻段的電磁波，其頻率要比可見光小上千倍，所產(chǎn)生的光子能量比光頻光子的能量小得多，因此可以直接測量到原子的精細能級和超精細塞曼子能級之間的共振躍遷。人們

24、把這個頻段的電磁波稱為赫茲波，把微波或射頻共振稱為赫茲共振。光磁共振實際上是使原子、分子的光學頻率的共振與射頻或微波頻率的磁共振同時發(fā)生的一種雙共振現(xiàn)象。這種方法是卡斯特勒在巴黎提出并實現(xiàn)的。由于這種方法最早實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，成了發(fā)明激光器的先導(dǎo)，所以卡斯特勒被人們譽為“激光之父”。 卡斯特勒1902年5月3日出生于法國阿爾薩斯省的蓋布維萊爾，1920年進法國高等師范學校學習。布洛赫教授教他量子物理學，對他的發(fā)展有深刻的影響。布洛赫還讓他閱讀索末菲的名著原子結(jié)構(gòu)和光譜線。在讀這本書的過程中，卡斯特勒對電磁輻射和原子相互作用中的角動量守恒特別感興趣。他注意到用角動量守恒可以說明塞曼效應(yīng)中磁量子數(shù)

25、的選擇定則和偏振規(guī)律，并深刻領(lǐng)會到角動量守恒定律可能是自然界的一條普遍法則，但是，這個結(jié)論必須是在廣泛驗證之后，而不能想當然。從此卡斯特勒銘記在光譜學研究中要注意應(yīng)用角動量守恒定律。 1926年卡斯特勒從高等師范學校畢業(yè)，隨后到外地當了五年中學教師。1931年波爾多大學的道利教授請他當實驗室助手，于是他就成了一名實驗研究人員。在實驗中他主要從事熒光和拉曼光譜研究，在研究中系統(tǒng)地檢驗了光散射和熒光過程中角動量守恒定律的普適性。1936年他以汞原子逐步受激為題，通過了博士論文的答辯。1941年回到高等師范學校，負責實驗室工作。 1947年蘭姆和雷瑟福用波譜學方法測定氫原子精細結(jié)構(gòu)的蘭姆位移，194

26、9年美國的比特（F.Bitter）指出，可把射頻波譜技術(shù)擴展到原子激發(fā)態(tài)的研究中。在這以前，磁共振實驗一般是在凝聚態(tài)中粒子處于熱平衡的狀態(tài)下進行的，激發(fā)態(tài)的磁共振則從未有人做過?？ㄋ固乩照J為這是一項很好的建議，但關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)。他找到了一個有效方法，就是利用偏振光對恒定磁場中的氣態(tài)原子或分子作用，有可能實現(xiàn)激發(fā)態(tài)塞曼子能級產(chǎn)生選擇躍遷。卡斯特勒一方面派自己的學生布洛塞爾（J.Brossel）去美國向比特學習；另一方面加緊在實驗室里開展獨立研究。1950年布洛塞爾和比特按照卡斯特勒的思想做成了第一個光磁共振實驗，不過還不能探測原子的定向。 這一年卡斯特勒又提出，用圓偏振光激發(fā)原子，使原子的角動

27、量發(fā)生變化，就可以使原子集中在基態(tài)的某一能級上，也就是改變原子在基態(tài)某一子能級的集居數(shù)。他把這種方法稱為光抽運。 不久，布洛塞爾從美國回來，師生兩人合作研究光磁共振。他們用鈉的D1譜線激發(fā)處于恒定磁場中的鈉蒸氣原子，探測其熒光輻射強度?？ㄋ固乩照J識到，實驗的成功與否取決于弛豫過程的速度。若弛豫過程太快，則只能觀測到微弱的信號。于是改為用充有氫氣的鈉樣品泡做實驗。經(jīng)過反復(fù)的試驗，終于在1955年獲得了強度足夠的光抽運效應(yīng)。之所以采用氫氣，是因為氫氣是幾乎沒有分子磁性的氣體，可以起到緩沖的作用，使鈉原子漂移到泡壁的速度大大減慢。接著他們又用射頻場實現(xiàn)了超精細塞曼能級之間的躍遷，把光抽運和光磁雙共振

28、法結(jié)合在一起。 光磁共振方法很快就發(fā)展成為研究原子物理的一種重要的實驗方法。它大大地豐富了我們對原子能級精細結(jié)構(gòu)和超精細結(jié)構(gòu)、能級壽命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子與原子間以及原子與其它物質(zhì)間相互作用的了解。 利用光磁共振原理可以制成測量微弱磁場的磁強計，也可以制成高穩(wěn)定度的原子頻標。 卡斯特勒的成就與法國的科學傳統(tǒng)是分不開的。他扎根于法國巴黎的高等師范學校，但并不閉關(guān)自守，而是力促國際交流。他很注意發(fā)揮科研集體的智慧和青年的力量，建立起團結(jié)協(xié)作的風氣。例如，為了研究光抽運，在布洛塞爾1951年回國后，他們立即組織了一個研究組，吸收巴黎高等師范的學生參加，共同研究一些關(guān)鍵問題。

29、這個組的年輕人寫了十幾篇論文，在光磁共振方法的研究中作出了各自的貢獻。他很注意實驗研究與理論研究的結(jié)合，也很注意基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的結(jié)合。在發(fā)現(xiàn)光抽運的過程中，他先在理論上充分探討，后在實驗上付諸實現(xiàn)；以后他們對緩沖氣體和弛豫過程、多量子躍遷以及光頻移效應(yīng)的研究，始終堅持實驗與理論相結(jié)合的方針。從1958年起，卡斯特勒還兼任法國科學研究中心原子鐘實驗室主任，直到1972年退休。(二)實驗裝置DH807A光磁共振實驗裝置是根據(jù)高等院近代物理實驗教學大綱的要求而研制的一套實驗裝置，可使學生了解到光學，電磁學及無線電電子學等方面的知識；能煊性或定量地了解到原子內(nèi)部的很多信息。它是典型的波譜教學實驗之

30、一。光磁共振實驗中使用了光泵及光電探測技術(shù)，其靈敏度比一般磁共振沉沒技術(shù)高幾個數(shù)量級。這一方法在基礎(chǔ)物理學的研究，磁場的精確測量以及原子頻奈技術(shù)等方面有廣泛應(yīng)用。本實驗總體系統(tǒng)由光泵磁共振實驗儀主體單元、輔助源、射頻信號發(fā)生器及示波器四部分組成。(三)實驗設(shè)計1儀器的調(diào)節(jié)在裝置加電之前,先進行主體單元光路的機械調(diào)整。再用指南針確定地磁場方向，主體裝置的光軸要與地磁場水平方向相平行。用指南針確定水平場線圈、豎直場線圈及掃場線圈產(chǎn)生的各磁場方向與地磁場水平和垂直方向的關(guān)系，并作詳細記錄。將“垂直場”、“水平場”、“掃場幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下輔助源的池溫開關(guān)，接通電源開關(guān)。開射頻信號發(fā)生器、示波器

31、電源。電源接通約三十分鐘后，銣光譜燈點燃并發(fā)出紫紅色光，池溫燈亮，吸收池正常工作，實驗裝置進入工作狀態(tài)。主體裝置的光學元件應(yīng)調(diào)成等高共軸。調(diào)整準直透鏡以得到較好的平行光束，通過銣樣品泡并射到聚光透鏡上。銣燈因不是點光源，不能得到一個完全平行的光束，但仔細調(diào)節(jié)，在通過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。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/4以獲得圓偏振光。2光抽運信號的觀察掃場方式選擇“方波”，調(diào)大掃場幅度。再將指南針置于吸收池上邊，設(shè)置掃場方向與地磁場方向相反，然后拿開指南針。預(yù)置 垂直場電流為0.07A左右。用來抵消地磁場分量。然后

32、旋轉(zhuǎn)偏振片的角度、調(diào)節(jié)掃場幅度及垂直場大小和方向，使光抽運信號幅度最大。再仔細調(diào)節(jié)光路聚焦，使光抽運信號幅度最大。銣樣品泡開始加上方波掃場的一瞬間，基態(tài)中各塞曼子能級上的粒子數(shù)接近熱平衡，即各子能級上的粒子數(shù)大致相等。 因此這一瞬間有總粒子數(shù)7/8的粒子在吸收光，對光的吸收最強。隨著粒子逐漸被抽運到MF=+2子能級上，能吸收+的光粒子數(shù)減少，透過銣樣品泡的光逐漸增強。當抽運到MF=+2子能級上的粒子數(shù)達到飽和時，透過銣樣品泡的光達到最大且不再變化。當磁場掃過零（指水平方向的總磁場為零）然后反向時，各塞曼子能級跟隨著發(fā)生簡并隨即再分裂。能級簡并時銣的子分布由于碰撞等導(dǎo)致自旋方向混雜而失去了偏極化

33、，所以重新分裂后各塞曼子能級上的粒子數(shù)又近似相等，對光的吸收又達到最大值，這樣就觀察到了光抽運信號。3磁共振信號的觀察掃場方式選擇“三角波”，將水平場電流預(yù)置為0.7A左右，并使水平磁場方向與地磁場水平分量和掃場方向相同(由指南針判斷)。垂直場的大小和偏振鏡的角度保持前面的狀態(tài)不變。調(diào)節(jié)射頻信號發(fā)生器，頻率可以觀察到共振信號如圖2，對應(yīng)波形，可讀出頻率V1及對應(yīng)的水平場電流I。再按動水平場方向開關(guān)，使水平場方向與地磁場水平分量和掃場方向相反。同樣可以得到V2。這樣水平磁場排除了地磁場水平分量及掃場直流分量的影響。用三角波掃場法觀察磁共振信號時，當磁場B0值與射頻頻率V0滿足共振條件式時，銣原子

34、分布的偏極化被破壞，產(chǎn)生新的光抽運。因此，對于確定的頻率，改變磁場值可以獲得Rb87或Rb85的磁共振?？傻玫酱殴舱裥盘柕膱D像。對于確定的磁場值（例如三角波中的某一場值），改變頻率同樣可以獲得Rb87或Rb85的磁共振。實驗中要求在選擇適當頻率（600KHz）及場強的條件下，觀察銣原子兩種同位素的共振信號并詳細記錄所有參量。4測量g因子 為了研究原子的超精細結(jié)構(gòu)，測準g因子時很有用的。我們用的亥姆霍茲線圈軸線中心處的磁感強度為式中N為線圈匝數(shù)，r為線圈有效半徑（米）,I為直流電流（安）。B為磁感強度（特斯拉），普朗克常數(shù)h=6.62610-34焦耳秒，玻爾磁子uB=9.27410-24焦耳/特

35、斯拉。利用兩式可以測出g因子值。要注意，引起塞曼能級分裂的磁場是水平方向的總磁場(地磁場的豎上分量已抵消)，可視為B=B水平+ B地+ B掃，而B地、B掃的直流部分和可能還有的其它雜散磁場，所有這些都難以測定。這樣給直接測量g因子帶來困難，但只要參考霍爾效應(yīng)實驗中用過的換向方法，就不難解決了。測量g因子實驗的步驟自己擬定。有實驗測量的結(jié)果計算出 Rb87或Rb85的g因子值。計算理論值并與測量值進行比較。5注意事項(1)實驗時必須先預(yù)熱，待池溫、燈溫指示燈點亮后，方可進行實驗。(2)在觀察磁共振信號，測量g因子和地磁場時應(yīng)該盡量減小掃場的大小。四、實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理（一）核磁共振實驗中主要針對

36、和樣品進行了實驗，得到數(shù)據(jù)如下：測內(nèi)容量實驗數(shù)據(jù)實驗儀器主要參數(shù)1磁場強度49252H20925KHz3F19686KHz 測量內(nèi)容樣品共振時頻率(MHz)g圖形 實驗數(shù)據(jù)FeCl320.64030.000549820.38540.000543H2O20.44210.0005445B已經(jīng)校準，通過測量未知原子核的共振頻率v便可求出待測原子核值（通常用值表征）或g因子：或 其中=7.6225914 MHz/T。由于各種原因?qū)嶒灂豢杀苊猱a(chǎn)生一些誤差。本實驗的誤差主要有以下幾個方面原因產(chǎn)生。首先是溫度影響：對于試劑，溫度會使試劑中分子和原子的狀態(tài)發(fā)生略微改變，影響其各方面性質(zhì)參數(shù)，使實驗結(jié)果產(chǎn)生誤

37、差。對于儀器，由于實驗儀器非常精密，溫度的變化會使電路的穩(wěn)定性測量的精確性等各方面受到影響。其次是操作誤差：操作過程中會發(fā)生諸如試劑未放置于磁場中央等誤差。實驗參數(shù)中H的共振頻率為20.925MHz，但是觀察到共振信號時，頻率計給出的頻率為20.85279MHz，由此可見，溫度對實驗參數(shù)的影響。而且共振信號出現(xiàn)的頻率范圍很小，在實驗中要調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，利用粗調(diào)旋鈕很容易會跳過共振頻率。因此在實驗中，在實驗參數(shù)共振頻率的1MHz之間微調(diào)，知道觀察到共振信號。各項實驗數(shù)據(jù)與核磁共振理論的預(yù)言值符合的較好，說明了核磁共振理論的正確性。經(jīng)分析表明，實驗裝置中永磁鐵所產(chǎn)生的勻強磁場并不是完全均勻的，其方向

38、也并不一致。由此也引起了實驗測量的一些誤差。 尾波產(chǎn)生的原因：對于某些可發(fā)生磁共振的物質(zhì),在共振訊號產(chǎn)生之后,會有振幅不斷衰減的波形出現(xiàn), 這就是尾波。核磁共振吸收信號與磁場成正比,外磁場越強粒子差數(shù)越大,越有利于觀察核磁共振信號。如果磁場在樣品的整個體積范圍內(nèi)是均勻的,則具有最佳的檢測特性。最強的共振信號與邊限振蕩器剛剛起振的狀態(tài)相對應(yīng)。射頻幅度增大 ,其共振信號反而減弱。射頻幅度影響射頻頻率,對于已調(diào)好的狀態(tài) ,如改變射頻幅度,則共振信號不再等間距。掃描電壓越大越有利于觀察核磁共振信號,掃描電壓較小,信噪比較差,如掃描電壓為零,則觀察不到共振信號。（二）順磁共振實驗中固定參數(shù)：測量內(nèi)容頻率

39、波長表可變衰減器隔離器震蕩器實驗數(shù)據(jù)9370MHz3.079mm0.171mm4.345mm通過調(diào)節(jié)磁場電流大小，我們會發(fā)現(xiàn)在一段電流范圍內(nèi)，都出現(xiàn)共振信號：測量內(nèi)容實驗數(shù)據(jù)電流（A）2.1462.187圖形 從上面的圖形中，我們會發(fā)現(xiàn)不同的磁場電流對應(yīng)著不同的共振圖形，由于，我們知道要產(chǎn)生共振，頻率是固定的9370MHz，所以對應(yīng)的B0也就可以確定下來。因此我們選取2.187A對應(yīng)的圖形為最佳共振信號，并用特斯拉計測量此時的磁場強度，得到B=0.361T。123平均B（mT）307308310308g因子計算：據(jù) ，其中h= 6.626068 10-34 m2 kg / s，=9370MHZ

40、，玻爾磁子B = 9.27410-24 JT-1，計算得到g=1.854，因為自由電子g=1.97，經(jīng)過實驗計算得到的g因子的相對誤差為16%，誤差比較大。（三）光磁共振實驗裝置的常數(shù)：測量內(nèi)容Nrh實驗數(shù)據(jù)2500.2404m6.63*10-34 m2 kg / s9.27*10-24 JT-1 1.觀察光抽運現(xiàn)象 設(shè)置掃場為方波，調(diào)整垂直分量，同時旋轉(zhuǎn)波片，獲得最佳光抽運信號。實驗內(nèi)容水平垂直觀察到的光抽運信號實驗數(shù)據(jù)電流(A)0.1660.053 確定掃場和水平電場的大小和方向，改變垂直電流的大小時，只能改變抽運信號圖的幅度，調(diào)節(jié)過程中有一個最大的信號幅度，此時正好是垂直磁場與地磁場的垂

41、直分量抵消的時候，無論小于還是大于這個值，信號幅度都會變小。 地磁場磁感應(yīng)強度垂直分量對光抽運信號的影響不可忽視，因此在接下來的實驗中，不改變垂直電流的大小，就可以抵消地磁場磁感應(yīng)強度垂直分量，使實驗只用考慮水平方向上的磁感應(yīng)強度。 2.測量g因子 設(shè)置射頻器的頻率為V=885.9KHz掃場、水平場方向與地磁場水平方向關(guān)系實驗組1實驗組2相同、相反0.3090.503相同、相反0.1730.368g 0.50054937622 0.33349410411 設(shè)置射頻器的頻率為V=483.7KHz掃場、水平場方向與地磁場水平方向關(guān)系12相同、相反0.1030.189相同、相反0.1050.319g

42、 0.50635222637 0.3487142691兩次取平均得g 0.50345080129 0.3411041866由上面的兩次實驗，射頻器的頻率低，則出現(xiàn)共振信號所需要的電流也相應(yīng)的比較低，與公式相符合，因為BI，所以在其他條件不變的情況下，頻率越高，對應(yīng)的水平場的電流也越大。五、實驗總結(jié)（一）核磁共振實驗實驗參數(shù)中H的共振頻率為20.925MHz，但是觀察到共振信號時，頻率計給出的頻率為20.85279MHz，由此可見，溫度對實驗參數(shù)的影響。而且共振信號出現(xiàn)的頻率范圍很小，在實驗中要調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，利用粗調(diào)旋鈕很容易會跳過共振頻率。因此在實驗中，在實驗參數(shù)共振頻率的1MHz之間微調(diào)，知道觀察到共振信號。各項實驗數(shù)據(jù)與核磁共振理論的預(yù)言值符合的較好，說明了核磁共振理論的正確性。經(jīng)分析表明，實驗裝置中永磁鐵所產(chǎn)生的勻強磁場并不是完全均勻的，其方向也并不一致。由此也引起了實驗測量的一些誤差。 尾波產(chǎn)生的原因：對于某些可發(fā)生磁共振的物質(zhì),在