浙 江 師 范 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)名稱 光磁共振 班 級(jí) 物理071 姓名 陳群 學(xué)號(hào) 07180116同 組 人 實(shí)驗(yàn)日期 10/3/30 室溫 氣溫 光磁共振 摘 要：掌握觀測(cè)光抽運(yùn)效應(yīng)的條件和方法，觀察和測(cè)量共振信號(hào)的掃場(chǎng)法，超精細(xì)結(jié)構(gòu)的理解，掌握以光抽運(yùn)為基礎(chǔ)的光檢測(cè)磁共振方法，進(jìn)而測(cè)定銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼能級(jí)的朗德因子。關(guān)鍵詞：光共振 共振頻率 g因子引 言：光磁共振由法國(guó)物理學(xué)家Kastler在1950年首創(chuàng)的。它的基本思想是利用光的抽運(yùn)效應(yīng)造成原子基態(tài)Zeeman能級(jí)上粒子布居的偏極化，即偏離熱平衡時(shí)所遵循的Boltzmann分布。然后利用磁共振效應(yīng)對(duì)這種偏極化布局進(jìn)行擾動(dòng)，使光的抽運(yùn)速率變化。通過對(duì)抽運(yùn)速率變化的探測(cè)來研究原子塞曼能級(jí)超精細(xì)結(jié)構(gòu)。把光頻躍遷和射頻磁共振躍遷結(jié)合起來 ，由于氣體原子塞曼子能級(jí)間的磁共振信號(hào)非常弱，用磁共振的方法難于觀察。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了光探測(cè)的方法，既保持了磁共振分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)將探測(cè)靈敏度提高了幾個(gè)以至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此方法可用于基礎(chǔ)物理研究，在量子頻標(biāo)、精確測(cè)定磁場(chǎng)等問題上也都有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于光磁共振的應(yīng)用價(jià)值，Kastler獲得了1966年的諾貝爾獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)總體系統(tǒng)由光泵磁共振實(shí)驗(yàn)儀主體單元、輔助源、射頻信號(hào)發(fā)生器及示波器四部分組成。下此圖為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖：實(shí)驗(yàn)原理光抽運(yùn)（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能級(jí)間的熱平衡態(tài)，造成期望集居數(shù)差，它基于光和原子間的相互作用。 采用光探測(cè)，探測(cè)原子對(duì)光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測(cè)方法（直接探測(cè)原子對(duì)射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而大大提高探測(cè)靈敏度。光磁共振：是將光抽運(yùn)、磁共振、光探測(cè)技術(shù)結(jié)合起來研究氣態(tài)原子精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，加深了人們對(duì)原子磁矩、 因子、能級(jí)壽命、能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)及原子間相互作用的認(rèn)識(shí)。 銣原子的能級(jí)分裂（精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成）由電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互作用（L-S耦合）發(fā)生能級(jí)分裂,用J表示電子總角動(dòng)量量子數(shù)，對(duì)于基態(tài)，L=0，S=1/2，得J=1/2，標(biāo)記為；對(duì)于最低激發(fā)態(tài)，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，標(biāo)記為 ，如右圖所示，形成兩條譜線。電子軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量的合成角動(dòng)量 ，電子總磁矩，兩者關(guān)系為，其 中原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)由核磁矩與電子磁矩的相互作用形成。核的自旋量子數(shù)表示為，銣原子的兩種同位素的自旋量子數(shù)分別為：，核的自旋角動(dòng)量表示為，得原子總角動(dòng)量：，其中F用來表示原子總角動(dòng)量量子數(shù)，F(xiàn)=I+J,|I-J|。,其中塞曼子能級(jí)的形成：原子處于弱磁場(chǎng)中，由于原子總磁矩與磁場(chǎng)的相互作用使能級(jí)進(jìn)一步分裂，形成塞曼子能級(jí)。這些能級(jí)用磁量子數(shù)來表示，能級(jí)間距相同。和相互作用能表示如下： 能級(jí)間距為：,其中為玻爾磁子。將角動(dòng)量為的左旋圓偏振光照射到氣態(tài)原子后，根據(jù)光躍遷選擇定則，基態(tài)中能級(jí)上的粒子數(shù)會(huì)越來越多，形成粒子數(shù)偏極化。高度的粒子數(shù)偏極化是進(jìn)行磁共振實(shí)驗(yàn)的有利條件。 本實(shí)驗(yàn)中，在樣品泡中加入少量分子磁矩較小的緩沖氣體（如氮、氖等）避免銣原子與容器壁碰撞而使粒子失去偏極化。另外將溫度保持在50到60攝氏度之間，盡量減小銣原子與容器壁的碰撞。在垂直于產(chǎn)生塞曼分裂的磁場(chǎng)方向上加一頻率為的射頻磁場(chǎng)，當(dāng)滿足 時(shí)發(fā)生磁共振，如此，粒子的偏極化程度降低，再次發(fā)生光抽運(yùn)，最終形成光抽運(yùn)與磁共振的動(dòng)態(tài)平衡。照射到樣品上的偏振光，起到了兩個(gè)作用。一是產(chǎn)生光抽運(yùn)效應(yīng)；二可以通過測(cè)量透射光強(qiáng)得到磁共振信號(hào)。當(dāng)各能級(jí)上的粒子數(shù)相同時(shí)，樣品對(duì)偏振光吸收最強(qiáng)，透射光最弱；當(dāng)粒子數(shù)偏極化強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)，透射光最強(qiáng)。這里通過透射光強(qiáng)的變化來得到磁共振信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)的分裂情況。87Rb的核自旋，85Rb的核自璇，因此，兩種原子的超精細(xì)分裂將不同。我們以87Rb為例，介紹超精細(xì)分裂的情況，可以對(duì)照理解85Rb的分裂（如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)中，我們要對(duì)銣光源進(jìn)行濾光和變換，只讓D1+(左旋圓偏振光)光通過并照射到銣原子蒸氣上，觀察銣蒸氣D1+對(duì)光的吸收情況。圖處于磁場(chǎng)環(huán)境中的銣原子對(duì)D1+光 的吸收遵守如下的選擇定則 根據(jù)這一選擇定則可以畫出吸收躍遷圖，如圖2所示。圖2 87Rb原子對(duì)D1+光的吸收和退激躍遷在沒有D1+光照射時(shí)，5S態(tài)上的8個(gè)子能級(jí)幾乎均勻分布著原子，而當(dāng)D1+光持續(xù)照著時(shí)，較低的7個(gè)子能級(jí)上的原子逐步被“抽運(yùn)”到MF=+2的子能級(jí)上，出現(xiàn)了“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。在“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”后，如果在垂直于靜磁場(chǎng)B和垂直于光傳播方向上加一射頻振蕩的磁場(chǎng)，并且調(diào)整射頻頻率，使之滿足 這時(shí)將出現(xiàn)“射頻受激輻射”，處于靜磁場(chǎng)中的銣原子對(duì)偏振光D1+的吸收過程能夠受到一個(gè)射頻信號(hào)的控制，當(dāng)沒有射頻信號(hào)時(shí)，銣原子對(duì)D1+光的吸收很快趨于零，而當(dāng)加上一個(gè)能量等于相鄰子能級(jí)的能量差的射頻信號(hào)時(shí)又引起強(qiáng)烈吸收。根據(jù)這一事實(shí)，如果能讓公式周期性成立，則可以觀察到銣原子對(duì)D1+光的周期性吸收的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中是固定頻率而采用周期性的磁場(chǎng)B來實(shí)現(xiàn)這一要求的，稱為“掃場(chǎng)法”。光磁共振的觀察“掃場(chǎng)法”采用的周期性信號(hào)一般有兩種：方波信號(hào)和三角波信號(hào)。方波信號(hào)用于觀察“光抽運(yùn)”過程，三角波信號(hào)用于測(cè)量有關(guān)參數(shù)。在加入了周期性的“掃描場(chǎng)”以后，總磁場(chǎng)為：Btotal=BDC+BS+Be其中BDC是一個(gè)由通有穩(wěn)定的直流電流的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，方向在水平方向，Be是地球磁場(chǎng)的水平分量，這兩部分在實(shí)驗(yàn)中不變；BS 是周期性的掃描場(chǎng)，也是水平方向的。地球磁場(chǎng)的垂直分量被一對(duì)線圈的磁場(chǎng)所抵消。1）用方波觀察“光抽運(yùn)”將直流磁場(chǎng)BDC調(diào)到零，加上方波掃場(chǎng)信號(hào)，其波形見圖3，它是關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱的。圖3 “光抽運(yùn)”的形成和波形在方波剛加上的瞬間，樣品泡內(nèi)銣原子5S態(tài)的8個(gè)子能級(jí)上的原子數(shù)近似相等，即每個(gè)子能級(jí)上的原子數(shù)各占總原子數(shù)的1/8，因此，將有7/8的原子能夠吸收D1+光，此時(shí)對(duì)光的吸收最強(qiáng)，探測(cè)器上接受的光信號(hào)最弱。隨著原子逐步被“抽運(yùn)”到MF=+2的子能級(jí)上，能夠吸收D1+光的原子數(shù)逐漸減少，透過樣品泡的光逐漸增強(qiáng)。當(dāng)“抽運(yùn)”到MF=+2子能級(jí)上的原子數(shù)達(dá)到飽和，透過樣品泡的光強(qiáng)達(dá)到最大而不再發(fā)生變化。當(dāng)“掃場(chǎng)”過零并反向時(shí)，各子能級(jí)簡(jiǎn)并，原來是MF=+2的原子，通過碰撞，自旋方向混雜而使各個(gè)自旋方向上的原子數(shù)又接近相等，當(dāng)“掃場(chǎng)”反向、銣原子各子能級(jí)重新分裂以后，對(duì)D1+光的吸收又達(dá)到了最大。 2、三角波觀察光磁共振 調(diào)節(jié)直流磁場(chǎng)BDC至某個(gè)值，加上三角波“掃場(chǎng)”信號(hào)和射頻信號(hào)，通過調(diào)節(jié)“掃場(chǎng)”幅度和射頻信號(hào)的頻率，可以觀察到如圖4所示的光磁共振信號(hào)。圖4 光磁共振的信號(hào)圖像在光磁共振實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)重要的任務(wù)是測(cè)量gF因子，為此提出如下方法：在某個(gè)射頻1下調(diào)出光磁共振信號(hào)（類似于圖4），通過交替調(diào)節(jié)BDC和“掃場(chǎng)”信號(hào)，使共振信號(hào)的谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)“掃場(chǎng)”信號(hào)的峰點(diǎn)或谷點(diǎn) ，如圖5所示。圖5 光磁共振的信號(hào)圖像當(dāng)光磁共振發(fā)生時(shí)，滿足量子條件： e) (2)通過儀器上的換向開關(guān)將直流磁場(chǎng)的方向倒轉(zhuǎn)，此時(shí)可能觀察不到共振信號(hào)。通過改變水平場(chǎng)電流值調(diào)節(jié)BDC，又可以看到共振信號(hào)，并調(diào)到如圖6所示的狀態(tài)，記下水平線場(chǎng)電流值，則有如下的量子條件成立： e) (3)圖6 光磁共振信號(hào)圖像由（）、（3）式得： （4）直流磁場(chǎng)BDC可以通過讀出兩個(gè)并聯(lián)線圈的電流之和I來計(jì)算（亥姆霍茲線圈公式） （T）式中N和是兩個(gè)水平線圈的匝數(shù)和有效半徑，因?yàn)閮蓚€(gè)線圈是并聯(lián)的，數(shù)字表顯示的值是流過兩個(gè)線圈的電流之和。以上介紹的是針對(duì)樣品只存在一種原子的情況，事實(shí)上，樣品中同時(shí)存在87Rb和85Rb，所以，一般在示波器上能先后看到兩種原子造成的光磁共振信號(hào)，當(dāng)改變射頻信號(hào)頻率時(shí)二者是交替出現(xiàn)的。對(duì)每一種原子造成的共振信號(hào)都可以用上面介紹的方法測(cè)量其gF因子。我們要注意，gF因子的值不僅與原子有關(guān)，而且還與量子數(shù)F的值有關(guān)。不難看出，我們測(cè)量的是87Rb的5S態(tài)中F=2的gF因子，而對(duì)于85Rb來講，我們測(cè)量的是F=3的gF因子。我們能依據(jù)gF因子的值來判斷共振信號(hào)是哪一種原子引起的，因?yàn)閮煞N原子的gF因子之比為： 實(shí)驗(yàn)步驟：1、連接好儀器，先調(diào)節(jié)垂直磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)垂直分量反向；水平場(chǎng)、掃場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量反向，使掃場(chǎng)為方波、水平場(chǎng)電流為最小，調(diào)掃場(chǎng)幅度和垂直電流大小，使抽運(yùn)信號(hào)最佳。2、改變掃場(chǎng)為三角波，再調(diào)節(jié)水平場(chǎng)、掃場(chǎng)與地磁水平分量方向一致。3、設(shè)定射頻頻率在某一個(gè)值，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈電流大小，使其產(chǎn)生共振信號(hào)，并記錄此時(shí)的電流（其中對(duì)應(yīng)每一頻率，有2 個(gè)共振電流分別與、相對(duì)應(yīng)）。 4、將水平場(chǎng)、掃場(chǎng)同時(shí)與地磁場(chǎng)水平分量反向；在射頻頻率不變的條件下，由小到大調(diào)節(jié)水平電流，并記錄再次共振時(shí)的電流。重復(fù)上述步驟，測(cè)量射頻頻率在600900KHz內(nèi)。數(shù)據(jù)記錄及處理測(cè)量g因子r為線圈有效半徑，I為流過線圈的電流，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位為GS）參數(shù)值水平場(chǎng)線圈掃場(chǎng)線圈垂直場(chǎng)線圈N250250100r0.2402m0.2420m0.1530m電流值（A）射頻場(chǎng)頻率（KHz）對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度（GS）g因子（）0.282同方向861.21.318382.171不同方向549.30.299同方向897.71.398383.876不同方向604.50.320同方向943.81.496383.876不同方向677.50.340同方向989.41.590389.294不同方向742.9最后取平均得到： g因子等于0.384804由亥姆霍茲線圈公式得：直流磁場(chǎng)BDC 兩個(gè)并聯(lián)線圈的電流之和I 的關(guān)系測(cè)量地磁場(chǎng)方向頻率（KHz）地磁場(chǎng)水平分量H水平（GS）同向861.20.413不同向416.0同向8