光磁共振0資料

1、光磁共振,近代物理實驗中心,,實驗背景 光磁共振技術是20世紀50年代初期法國物理學家卡斯特勒(A ·Kastler)提出的。1966年， Kastler由于在這方面的貢獻而榮獲諾貝爾獎。該技術是將光抽運與射頻磁共振相結(jié)合的一種雙共振過程。將光抽運用圓偏光束激發(fā)氣態(tài)原子的方法以打破原子在所研究的能級間玻耳茲曼熱平衡分布，造成所需的布居數(shù)差，從而在低濃度的條件下提高共振強度。在相應頻率的射頻場激勵下，可觀

2、察到磁共振信號。,,在探測磁共振信號方面，不直接探測原子對射頻量子的發(fā)射或吸收，而是采用光探測的方法，探測原子對光量子的發(fā)射吸收。由于光量子的能量比射頻量高七、八個數(shù)量級，所以探測信號的靈敏度得以提高。,,實驗目的1、通過研究銣原子基態(tài)的光磁共振，加深對原子超精細結(jié)構(gòu)的認識；2、掌握光磁共振的實驗技術；3、測定銣原子的朗德因子(g)和地磁場的強度。,實驗原理,一般磁共振技術,無法進行氣態(tài)樣品的觀測,因為氣態(tài)樣品的濃度比固態(tài)或液態(tài)樣

3、品低幾個數(shù)量級,共振信號非常弱.光磁共振是把光抽運、磁共振和光探測技術有機的結(jié)合起來,以研究氣態(tài)原子精細結(jié)構(gòu)和超精細結(jié)構(gòu)的一種實驗方法. 光抽運就是利用圓偏振光激發(fā)氣態(tài)原子，以打破原子在所研究能級間的熱平衡的玻爾茲曼分布,造成能級間所需要的粒子數(shù)差,以便在低濃度下提高磁共振信號強度.,,光泵磁共振采用光探測方法,即探測原子對光量子的吸收而不是采用一般磁共振的探測方法,即直接探測原子對射頻量子的吸收.因為光量子能量比射頻量子的能量高幾

4、個數(shù)量級,因而大大提高了探測靈敏度. 光磁共振實驗中都以銣(Rb)原子氣體為樣品,它有 和 兩種同位素.以 為例,它的原子能級的超精細結(jié)構(gòu)式原子的核磁矩與電子磁矩相互作用產(chǎn)生的.,銣原子結(jié)構(gòu),,研究對象：銣(Rb)的氣態(tài)自由原子，價電子處于第五電子層，主量子數(shù)n=5，軌道量子數(shù)L=0,1,…..n-1,電子自旋量子數(shù)S=1/2.原子精細結(jié)構(gòu)的形成：由電子的自旋與軌道運動相互作用(L-S耦合)發(fā)生能級分裂。銣原子基

5、態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的形成：用J表示電子總角動量量子數(shù)，J=L+S,L+S-1,…,,由表可見,銣原子基態(tài)是 (L=0,S=1/2, J=L+S=1/2)能級,最低激發(fā)態(tài)為5p能級.原子中電子的軌道角動量和自旋角動量在LS耦合下分裂為 和 (L=1,S=1/2,J=L-S=1/2和J=L+S=3/2)能級.因此, 5s和5 p能級間的躍遷產(chǎn)生兩條波長相近的譜線 和

6、 . 原子中電子的軌道磁矩為 自旋磁矩為 其中 和 電子軌道角動量和電子自旋角動量.,,和 為相應的g因子,e和 為電子的電荷和質(zhì)量. LS耦合時，合

7、成的總磁矩為 如果在LS耦合的基礎上進一步考慮原子核自旋對能級的影響,銣原子的兩種同位素,由于中子數(shù)的不同, 和 的核自旋量子數(shù)I分別為3/2和5/2,即在I-J耦合(核磁矩和電子磁矩的耦合)下，5s和5p能級將再次分裂，稱超精細結(jié)構(gòu)能級.耦合后的量子數(shù)F=I+J+,…I-J, 的F=2,1, 的F=3,2.,,當原子位于外磁場B中，由于原子的總磁矩與磁場的相互作用，原子超精細結(jié)構(gòu)能級又會分裂為

8、2F+1個等間距的塞曼能級. 其中量子數(shù) , 是玻爾磁子.由于 ,因此，相鄰塞曼能級的能級間距為,,能級圖,,的基態(tài)為為 即L=0, S=1/2, J=L+S=1/2,而核自旋量子數(shù)為I=3/2，所以總量子數(shù)F=I+J或I-J，即F=2或1. 當銣原子處于磁場B中時,原子總磁矩與磁場相互作用時能級進一步分裂成等間距的塞曼能級,能級

9、為： 式中 為磁量子數(shù),相鄰的子能級間的能量差為,,,其中：對于 基態(tài) ， , 當F=2時,可得 對于 基態(tài) ，當F=3時,得 由于分裂的塞曼能級間的能量差很小,可以認為原子在塞曼能級上的分裂是均勻的，所以光磁共振實驗要用銣光譜燈產(chǎn)生的D1譜線的左旋圓偏振光 照射樣品銣原子上，使之產(chǎn)生光抽運效應.于是大量粒子被

10、抽運到 基態(tài) 的子能級上, 從而出現(xiàn)了粒子數(shù)的不,,,,,,,,,,,,,均勻分布，即“偏極化”，此時如果在垂直于外磁場B 的方向上加以射頻磁場,當射頻場頻率為 滿足 則塞曼子能級之間將產(chǎn)生感應躍遷,稱為磁共振.此時透過樣品銣的 的光就減弱了,如用一光電探測器來收集透射光，則將輸出一個負向的電壓脈沖信號,即共振吸收信號,可將其送至示波器上進行顯示.,,當抽運效應開始時，樣品會吸

11、收794 的 共振光的能量,使穿過樣品的光強度減弱,達到飽和時，停止吸收能量,光強度增加，這樣就形成了光抽運信號.當光抽運過程完成后，樣品偏極化，此時光吸收停止.,,,實驗裝置,2、對Z軸的力矩,,實驗內(nèi)容,一、調(diào)節(jié)儀器1、用指南針測量地磁場方向，使主體光軸與地磁場水平方向平行。2、調(diào)節(jié)面板( a )確定水平線圈、豎直線圈和掃場線圈與其換向開關之間的對應關系；( b )調(diào)節(jié)主體單元光學元件處于等高位置，調(diào)整透鏡的位置以得到

12、較好平行光束； ( c ) 按下預熱鍵，加熱銣樣品泡在40~60攝氏度。,2、觀測光抽運信號,掃場方式選擇方波,調(diào)大掃場幅度,將指南針置于吸收池上邊,分別判斷出掃場方向和水平場方向,并記錄下來.此時設置掃場方向與地磁場水平分量方向相反.水平場取零(儀器本身有一點值).取去指南針后用黑布遮蓋主體單元,避免光電探測器接受到其它雜散光,影響信號幅度和線型.預置垂直場電流的大小為0.06A,用來抵消垂直分量.正確選取方向，即與地磁

13、場垂直分量反相,即可觀測到光抽運信號.再多次調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏振片的角度,掃場幅度,垂直場大小,使光抽運信號最佳.再仔細調(diào)節(jié)光路聚焦,使光抽運信號幅度最佳.,在示波器上觀察到光抽運信號，得到如下圖所示的掃場與光抽運信號的對照圖。,3、觀測光磁共振信號,在獲得最佳的光抽運信號的基礎上,改用三角波作為掃場,開啟射頻信號源,對Rb吸收泡施加射頻磁場,用水平磁場線圈產(chǎn)生一水平磁場(地磁場垂直分量已抵消),連續(xù)調(diào)節(jié)射頻信號源的頻率,即可在示波

14、器上得到共振信號.,3、測量光磁共振信號,(a)測量g 加上方向同地磁場水平方向相同的三角波掃場以及頻率為 的射頻磁場，調(diào)節(jié)頻率的大小，觀察磁共振信號，數(shù)學表達式為：假設頻率為 時觀察得到磁共振信號，這時：,,,,,,,,,當水平場反向，頻率為 時得到的另一個共振信號，此時：,由此可得朗德因子：,,,,需要注意的是：銣原子有兩種同位素，所以會出現(xiàn)兩次共振信號，頻率高的為 共振信號,頻率低的為 共振信號。

15、,,,,,得到的信號圖如下：,(b)測量地磁場,測量方法同上，這次需要先上三者同向，然后同時改變掃場和水平場，使它們與地磁場的水平分量方向相反，此時：,,,地磁場水平分量為：,,因為垂直磁場正好抵消地磁場的垂直分量，從面板上的數(shù)字顯示可知垂直場電流以及儀器說明書上提供亥姆霍茲線圈參數(shù)，可以確定地磁場垂直分量的數(shù)值，地磁場的水平分量和垂直分量的矢量和即為地磁場。,實驗注意事項,(1)在實驗過場中應注意區(qū)分 和 的共振譜線。當水平磁