光磁共振實驗報告

實驗目的掌握光抽運-磁共振-光檢測的實驗原理及實驗方法；研究原子、分子能級的超精細結(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；實驗原理（一）．銣（Rb）原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)的能級實驗研究的對象是銣的氣態(tài)自由原子。銣是堿金屬原子，在緊束縛的滿殼層外只有一個電子。銣的價電子處于第五殼層，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動的相互作用（既L—S耦合）而發(fā)生能級分裂，稱為精細結(jié)構(gòu)。電子軌道角動量與其自旋角動量的合成電子的總角動量。原子能級的精細結(jié)構(gòu)用總角動量量子數(shù)J來標記，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。原子的價電子在LS耦合中，其總角動量與電子總磁矩的關系為：(1)(2)是郎德因子，J是電子總角動量量子數(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的附加分裂。這附加分裂稱為超精細結(jié)構(gòu)。銣的兩種同位素的自旋量子數(shù)I是不同的。核自旋角動量與電子總角動量耦合成原子的總角動量,有。J—I耦合形成超精細結(jié)構(gòu)能級，由F量子數(shù)標記，F(xiàn)=I+J、…,|I-J|。的I=3/2,它的基態(tài)J=1/2，具有F=2和F=1兩個狀態(tài)。的I=5/2,它的基態(tài)J=1/2，具有F=3和F=2兩個狀態(tài)。整個原子的總角動量與總磁矩之間的關系可寫為(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個數(shù)量級，實際上為在方向上的投影，從而得(4)是對應于與關系的郎德因子。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，超精細結(jié)構(gòu)中的各能級進一步發(fā)生塞曼分裂形成塞曼子能級。用磁量子數(shù)來表示，則=F,F-1,…,-F,即分裂成2F+1個子能級，其間距相等。與的相互作用能量為：(5)式中為玻耳磁子。各相鄰塞曼子能級的能量差為：(6)可以看出與成正比。當外磁場為零時，各塞曼子能級將重新簡并為原來能級。（二）圓偏振光對銣原子的激發(fā)與光抽運效應一定頻率的光可引起原子能級之間的躍遷。氣態(tài)原子受左旋圓偏振光照射時，遵守光躍遷選擇定則±1，。在由能級到能級的激發(fā)躍遷中，由于光子的角動量為,只能產(chǎn)生的躍遷。基態(tài)子能級上原子若吸收光子就將躍遷到的狀態(tài)，但各自能級最高為。因此基態(tài)中子能級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。當原子經(jīng)歷無輻射躍遷過程從回到時，則原子返回基態(tài)各子能級的概率相等，這樣經(jīng)過若干循環(huán)之后，基態(tài)子能級上的原子數(shù)就會大大增加，即大量原子被“抽運”到基態(tài)的的子能級上。這就是光抽運效應。經(jīng)過多次上下躍遷，基態(tài)中的子能級上的原子數(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。光抽運的目的就是要造成基態(tài)能級中的偏極化，實現(xiàn)了偏極化就可以在子能級之間進行磁共振躍遷實驗了。（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。在實驗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致銣原子恢復到熱平衡分布，失去光抽運所造成的碰撞（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托的氮氣，它的密度比銣蒸氣原子的密度大6個數(shù)量級，這樣可減少銣原子與容器以及與其它銣原子的碰撞機會，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)中八個塞曼子能級的幾率均等，因此緩沖氣體分子還有利于粒子更快的被抽運到子能級的過程。（四）光磁共振和光檢測因光抽運而使原子分布偏極化達到飽和以后，銣蒸氣不再吸收光，從而使透過銣樣品泡的光增強。這時，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，當和之間滿足磁共振條件時，在塞曼子能級之間產(chǎn)生感應躍遷，稱為磁共振。（7）躍遷遵守選擇定則△F=0,原子將從的子能級向下躍遷到各子能級上，即大量原子由的能級躍遷,以后又躍遷到等各子能級上。這樣，磁共振破壞了原子分布的偏極化，而同時，原子又繼續(xù)吸收入射的光而進行新的抽運，透過樣品泡的光就變?nèi)趿恕ｋS著抽運過程的進行，粒子又從各能級被抽運到的子能級上。隨著粒子數(shù)得偏極化，透射再次變強。光抽運與感應磁共振躍遷達到一個動態(tài)平衡。光躍遷速率比磁共振躍遷速度大幾個數(shù)量級，因此光抽運與磁共振的過程就可以連續(xù)地進行下去。也有類似的情況，只是光將抽運到基態(tài)的子能級上，在磁共振時又跳回到等能級上。投射到銣樣品泡上的光，一方面起光抽運作用，另一方面，透射光的強弱變化反映樣品物質(zhì)的光抽運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，就實現(xiàn)了光抽運—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，這就使信號功率提高了8個數(shù)量級。實驗儀器DH807A型光磁共振儀、電源、輔助源、射頻信號發(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實驗內(nèi)容調(diào)整光路，預熱系統(tǒng)。觀測光抽運信號。利用指南針判斷磁場方向。在方向按鍵彈出時，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信號。水平直流場電流I0=0.100A，方向與地磁場同向，調(diào)節(jié)掃場幅度至光抽運信號出現(xiàn)在三角波波峰位置，后面的試驗中保持掃場幅度不變。打開射頻信號，測量87Rb的對應三角波波峰的共振峰射頻頻率μ1和μ2。實驗數(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