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光磁共振实验原理..doc 7页
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光磁共振实验原理.
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光磁共振实验原理一．实验目的掌握光抽运—磁共振的原理和实验方法。研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。测定铷同位素87Rb和85Rb的gF因子。测定地磁场。二．实验原理光抽运或称光泵技术巧妙地将光抽运，磁共振和光探测技术综合起来，用以研究汽态原子的精细和超精细结构。克服了用普通的方法对气态样品观测时，共振信号非常微弱的困难。用这个方法可以使磁共振分辨率提高到。实验是以天然37号元素铷（87Rb和85Rb）为样品，核外电子状态为1s22s22p63s23p63d104s24p65s1,研究碱金属铷原子的基态52S1/2磁共振。加外磁场使原子能级分裂，光照使原子从基态跃迁激发态，特别是从52S1/2态向52P1/2态跃迁，跃迁过程吸收光子因而检测到的光信号微弱，当偏极化饱和时跃迁吸收停止，检测到的光信号又增强到光源的光强。铷（Rb）原子能级的超精细结构和塞曼分裂铷的两种同位数87Rb和85Rb的核自旋量子数I分别是3/2和5/2。原子能级的超精细结构是原子的核磁矩和电子磁矩的耦合作用而形成的。当原子处于弱磁场B中时，原子的总磁矩和外磁场发生作用，造成能级分裂形成等间距的塞曼子能级，其能量为(?B=9.274×10-24Joule/特斯拉，真空磁导率?0=4?×10-7Second*Volt/(Ampere*Meter))：(1)(2)其中F为原子的总角动量量子数，S为外层电子自旋角动量量子数，L为外层电子轨道角动量量子数，J为核外外层电子轨道角动量L与电子自旋角动量S耦合L+S的量子数，原子感受到的外磁场B可以分解为水平磁场B∥和垂直磁场B┴，水平磁场B∥包括地磁场BE、水平磁场Bh、水平扫描磁场Bs、垂直磁场Bv，即B┴=Bv+BE┴,B∥=Bh+Bs+BE∥,如果选择垂直场电流方向和电流大小，使外加垂直磁场正好抵消地磁场垂直分量，即－Bv+BE┴＝0，则铷原子感受到的外磁场只有水平分量B∥=Bh+Bs+BE∥，由于磁场存在形成的相邻塞曼能级能量差为（最小可取△mF=1）：?E=△mFgF?BB＝△mFgF?B(Bh+Bs+BE∥)(3)原子状态可用2S+1XJ表示,而且，当L={0,1,2,3…}时，X={S,P,D,F…}.铷原子的基态为52S1/2，即L=0，S=1/2，J=1/2。87Rb的F=2和1，mF=2,1,0,-1,-2。85Rb的F=3和2，mF=3,2,1,0,-1,-2,-3。最低激发态为52P1/2和52P3/2双重态。考虑52P1/2，即L=1，S=1/2，J=1/2。87Rb的52P1/2到52S1/2的跃迁产生794.8nm的D1线（能量差为0.2486eV），52P3/2到52S1/2的跃迁产生780nm的D2线(能量差为0.2533eV)。52P3/2比52P1/2的能量高了0.0047eV.2．光抽运效应若以波长为794.8nm的?+(左旋圆偏振)光照射87Rb时，52S1/2态的原子会产生共振吸收而跃迁到52P1/2，因为跃迁服从△F=0,±1和△mF=0,±1的选择定则，又因为照射样品的光是?+共振(左旋圆偏振)光，所以△mF只能为+1，因而52S1/2态中除mF=2之外的7个子能级的原子都以相同的几率向上跃迁到52P1/2态的8个子能级中。而因mF=2的原子未参与跃迁，所以mF=2的基态上的原子数目未减少。当52P1/2态的原子发生自发或受激辐射而返回52S1/2时，仍服从△F=0,±1和△mF=0,±1的定则，52S1/2的mF=2子能级的原子数又会增加。经过这样一轮循环，mF=2基态上的原子数量便增加了。这样持续进行下去达到一个平衡，mF=2基态上的原子数量便会显著的增加。这种现象称作样品的“偏极化”，就是光泵（抽运）效应。的吸收和自发跃迁如图所示。图1光抽运原理示意图抽运现象开始一小段时间里，样品中大量铷原子吸收794.8nm的?+共振光能量后，按照△mF=+1的规则跃迁到8个激发中的某一个态上去，致使穿出样品的光强度急剧减弱。但处在激发态的原子经过一定时间后会自发辐射发出光子而再回到基态，因而抽运发生时经过短暂的时间后从样品出射的光强会逐渐增加。抽运达到饱和时，样品停止吸收光能量（因为几乎全部样品原子都到达了mF=+2的基态，这个状态的原子不能吸收光源发出的光子而跃迁到激发态），这时由样品出射的光强度达到最大，记录从样品出射的光强随时间变化的情况就形成了光抽运信号。特别注意，当外加磁场消失后，能级分裂消失，偏极化也随之消失。如果所加外磁场使样品铷原子感受到的磁场方向不变且不为0，那么出射光强只在刚开始出现急剧减弱，短时间后将逐渐增强到光源的光强而不再减弱。因此只有使样品原子气体处在周期外磁场中时，抽运信号才会周期出现，只有周期出现也才能被观察到。抽运信号最强时，样品原子感受到
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光磁共振实验中扫场的作用和影响
讨论了方波和三角波扫场对光抽运信号和磁共振信号的作用和影响,阐明了应如何选择方波和三角波扫场信号的大小和方向,才能得到理想的光抽运信号和磁共振信号的方法.
LIU Hai-xia
作者单位：
中国海洋大学,物理系,山东,青岛,266071
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光泵磁共振实验报告
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你可能喜欢7、选择题；1、光泵磁共振实验中，射频线圈产生的射频场与弱磁；A、平行；B、成30°角；C、垂直；D、成任意角度；2、在光泵磁共振实验中，测定85Rb和87Rb基；A、共振频率v；B、合外磁场；C、合外磁场和共振频率v；D、射频线圈产生的射频场和共振频率v；3、光泵磁共振实验中，样品放置于恒温室中，其温度；A、40～60℃；B、70～90℃；C、大于100℃
1、光泵磁共振实验中，射频线圈产生的射频场与弱磁场的方向（ C ）
B、 成30°角
D、 成任意角度
2、在光泵磁共振实验中，测定85Rb和87Rb基态的gF值时，只需测得共振时的(
A、 共振频率v
B、 合外磁场
C、 合外磁场和共振频率v
D、 射频线圈产生的射频场和共振频率v
3、光泵磁共振实验中，样品放置于恒温室中，其温度范围为（ A
A、 40～60℃
B、 70～90℃
C、 大于100℃
D、 低于100℃
4、原子失去偏极化的主要原因是（ A
A、 铷原子温度过高
B、 铷原子间的碰撞
C、 铷原子与器壁碰撞
D、 缓冲气体影响
5、F量子数表征的能级为（
A、 精细结构能级
B、 塞曼能级
C、 激发态能级
D、 超精细能级
6、若L=0，S=1/2，考虑LS耦合J为（
7、对87Rb的光抽运效应是将87Rb原子抽运到基态的某一可能能级上，该能级的磁量子数mF为（
8、光磁共振的条件为(
) ?'???A、?Em?h??gF?BB0?gF?BB0?BE//?BN F
?Em?gF?BB0'
?Em?v2?B0' F
9、光泵磁共振实验中所用的入射光为（ A ）
A、 左旋圆偏振光D1光
B、 右旋圆偏振光D2光
D、 椭圆偏振光 F
1、考虑铷原子核自旋角动量PI与电子总动量PJ耦合后的总量子数为F，
87Rb的基态I=3/2，J=1/2，则F值为(
2、原子失去偏极化的原因（ BCD ）
A、 外加磁场的影响
B、 铷原子之间的碰撞
C、 样品温度过高
D、 铷原子与器壁碰撞
E、 地磁场影响
3、以下说法正确的是（
A、 当合外磁场不变时，频率高的为87Rb的共振谱线
B、 当合外磁场不变时，频率高的为85Rb的共振谱线
C、 当射频频率不变时，合外磁场大的为85Rb的共振谱线
D、 当射频频率不变时，合外磁场大的为87Rb的共振谱线
E、 87Rb和85Rb的共振谱线一致。\
(1) 何谓光磁共振?它研究的对象是什么?
答:通过圆偏振光作用使原子跃迁,然后原子又会向下跃迁发出光子,由于选择定则,反复这个过程就会使粒子数偏极化,不再服从玻耳兹曼分布.而这时若加一个射频场使其发生磁共振,则会减弱这种偏极化,与光抽运达到动态平衡,增加对圆偏振光的吸收,即发生光磁共振.
(2) 何谓光抽运?光抽运的目的是什么?
答:通过圆偏振光作用使原子跃迁,然后原子又会向下跃迁发出光子,由于选择定则,反复这个过程就会使粒子数偏极化,不再服从玻耳兹曼分布,这个过程就是光抽运,目的就是是粒子数在某一能级上出现偏极化.
(3) 怎样实现塞曼子能级间的磁共振? ?'?答:在垂直于恒定磁场B0的方向加一个频率为?1的射频场B1，此射频场可分解为一个左旋圆
'偏振磁场与一个右旋圆偏振磁场，当?1满足共振条件：?1=?L?gF?BB0/h时就能发生塞
曼子能级之间的磁共振
(4) 描述光磁共振的实验装置,指出各个部件所起的作用是什么? 答: 铷样品泡：天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约为52mm的玻璃泡内。
铷光谱灯：是一种高频气体放电灯，它由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。
光电探测器：用来接收透射光强变化，并把光信号转换成电信号，接收部分采用硅光
电池，其放大器倍数大于100。
电源：电源为主体单元提供三组直流电源，第Ⅰ路是0～1A可调稳流电源，为水平磁
场提供电流，第Ⅱ路是0～0.5A可调稳流电源，为垂直磁场提供电流。第Ⅲ路
是24V/2A稳压电源，为控温电路，扫场提供工作电压。
辅助源：辅助源为主题单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。
射频信号发生器：本实验装置中的射频信号发生器使用频率范围为10KHz～3MHz频段，
频率可调，输出功率在50?负载上不小于0.5W，并且输出幅度可调节。
示波器：采用的示波器是一种双通道示波器，用来观看扫描磁场及光电探测器接收的
透射光强的变化。
(5) 使用周期性的“扫描场”有什么好处?
答：能更简单的找出共振信号，且不影响实验结果
(6) 铷原子塞曼子能级间的磁共振信号是什么方法检测的？
答：通过光检测，因为是发生了光磁共振，检测磁共振信号跟检测光信号都是可以的，而光信号较射频信号功率提高了7~8个数量级，可以提高检测的灵敏度。
(7) 你测定gF因子的方法是否受到地磁场的影响？为什么？
答：基本上认为没有影响，因为采用的是拟合直线的方法，那些散杂的磁场只能影响截距，而不会对斜率产生影响，而我们需要的就是斜率。
(8) 试计算出本实验85Rb和87Rb的因子gF理论值？
答:在实验数据处理中已经给出了二者gF的理论值，其中Rb的gF值为1/3，而Rb的gF 值为1/2。 8587
(9) 扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？
答：不能或者说不明显，因为扫场不过零的话就会由于光抽运的作用使粒子在某一能级偏极化，而在其他能级上粒子数减少，从而导致接下来的光抽运现象不明显，即难以再观察到光抽运信号。而若过零，则前后所产生偏极化的能级是不同的，故一直都能看到偏极化现象。
(10) 如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？
答：将扫场置0，调大水平磁场线圈的电流同时用指南针观察，若指南针没有转向相反方向则二者同向，否则二者反向。同理可以判断其他的关系。
(11) 如何区分磁共振信号与光抽运信号？
答：看扫场的方向及发生共振时的参考点可以加以判断
(12) 如何判别磁共振信号是85Rb还是87Rb产生的？
答：由于Rb的gF值较大，故在相同外磁场情况下测得频率较大的为Rb产生的，较小的为Rb产生的。 858787
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