光泵磁共振實驗電子科學與技術A14：陳曦

073003000772009-12-301陳曦近代物理實驗口頭報告光泵磁共振實驗電子科學與技術A14：陳曦

073003000實驗目的了解光抽運的原理，掌握光泵磁共振實驗技術，并測量汽態(tài)銣（Rb）原子的g因子。2009-12-302陳曦近代物理實驗口頭報告實驗目的了解光抽運的原理，掌握光泵磁共振實驗技術，并測量汽態(tài)銣原子能級的超精細結構和塞曼分裂原子能級的超精細結構是由原子的核磁矩與電子磁矩互作用產生的，當原子處于弱磁場B中時，原子的總磁矩與磁場相互作用使能級進一步分裂形成等間距的塞曼子能級。各能級能量差為到的躍遷產生波長為7948?的D1線，到的躍遷產生7800?的D2線。實驗原理2009-12-303陳曦近代物理實驗口頭報告銣原子能級的超精細結構和塞曼分裂原子能級銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009-12-304陳曦近代物理實驗口頭報告銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009在磁場中，原子在各子能級上的數目按玻耳茲曼分布，當用左旋圓偏振光照射氣態(tài)銣原子時，根據光躍遷選擇定則光抽運效應及偏極化的保持

87Rb的52S1/2態(tài)塞曼子能級上經過多次激發(fā)和自發(fā)輻射后，大量原子被抽運到基態(tài)F=2mF=+2的子能級上，形成原子在各能級間的非平衡分布稱為偏極化。2009-12-305陳曦近代物理實驗口頭報告在磁場中，原子在各子能級上的數目按玻耳茲曼分布，當用左旋圓偏類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居在F=2子能級上，對85Rb，則抽運到mF=+3的子能級上。有了偏極化就可以得到較強的磁共振信號。2009-12-306陳曦近代物理實驗口頭報告類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居對于87Rb，因光抽運，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，mF=+2能級上，偏極化達到飽和。這時在垂直于B的平面內施加一個頻率為ν的射頻場B1，當滿足磁共振條件塞曼子能級間的磁共振和光探測時,在塞曼子能級間產生感應躍遷，稱為磁共振。磁共振消除了原子分布的偏極化，由于光連續(xù)照射，存在光抽運，原子又被抽運到mF=+2子能級上，因而躍遷與抽運達到一個新平衡。2009-12-307陳曦近代物理實驗口頭報告對于87Rb，因光抽運，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個數量級，故光抽運與磁共振躍的過程就可以連續(xù)地進行下去。通過測量光強的變化，即可得到磁共振信號。儀器的巧妙之處就是將一個低頻射頻光子（1～10MHZ）轉換成高頻光頻光子（108MHZ），從而使信號功率提高了7～8個數量級。2009-12-308陳曦近代物理實驗口頭報告光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個數量級，故光抽運與磁實驗裝置2009-12-309陳曦近代物理實驗口頭報告實驗裝置2009-12-309陳曦近代物理實驗口頭報告TektronixTDS1002雙蹤數字示波器愛使AS3343頻率計數器新建XJ1630信號發(fā)生器DH807型光磁共振實驗裝置2009-12-3010陳曦近代物理實驗口頭報告TektronixTDS1002雙蹤數字示波器20實驗過程1.磁場測量亥姆霍茲線圈中電流I(A)電阻R(Ω)半徑r(m)匝數N2009-12-3011陳曦近代物理實驗口頭報告實驗過程1.磁場測量2009-12-3011陳曦近代物理實2.光抽運信號的觀察掃場選擇為方波，選擇掃場方向與地磁場水平分量方向相反。2009-12-3012陳曦近代物理實驗口頭報告2.光抽運信號的觀察2009-12-3012陳曦近代物理實3.磁共振信號的觀察利用三角波掃場，本實驗用掃場法即固定v改變B，來觀察和測量磁共振信號，通過改變三角波方向，找出并區(qū)分對應于87Rb和85Rb的共振信號。注意區(qū)分共振信號與光抽運信號，這里注意B由三部分組成，即水平線圈產生的磁場B0、掃場線圈產生的磁場B掃和地磁場水平方向的磁場B//組成。每當磁場B值與射頻頻率ν滿足共振條件時，銣原子分布的偏極化被破壞，產生新的抽運。2009-12-3013陳曦近代物理實驗口頭報告3.磁共振信號的觀察利用三角波掃場，本實驗用掃場法即2009-12-3014陳曦近代物理實驗口頭報告2009-12-3014陳曦近代物理實驗口頭報告4.測量gF因子用三角波掃場。固定磁場，調節(jié)ν，測出共振時所對應的頻率ν1，改變水平磁場方向，重復上述步驟，測出ν2則注意：同一B下，存在兩個v產生共振信號，頻率高的對應于87Rb，低的對應于85Rb。2009-12-3015陳曦近代物理實驗口頭報告4.測量gF因子用三角波掃場。固定磁場，調節(jié)ν，測出gFI/A85Rb87Rb0.250.3380.3390.5070.5070.350.3380.3410.5090.5100.450.3390.3390.5090.50985Rb平均gF=0.339相對誤差1.7%87Rb平均gF=0.509相對誤差1.8%2009-12-3016陳曦近代物理實驗口頭報告gF85Rb平均gF=0.3395.測量共振線寬固定磁場，改變射頻頻率v，使共振信號平移Δx。如果對應的頻率改變量為Δν，半寬高為d，則線寬為：2009-12-3017陳曦近代物理實驗口頭報告5.測量共振線寬固定磁場，改變射頻頻率v，使共振信號平Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.124MHzΔx=24.0msh=70mVd=6.8ms=35.13KHz2009-12-3018陳曦近代物理實驗口頭報告Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.1246.測量地磁場的水平分量先使掃場、水平場與地磁場水平分量方向相同，調節(jié)射頻場頻率，待共振后，讀得ν1，再同時使掃場、水平場反向，待共振后讀得ν2，則地磁場大小地磁場方向tanα=B垂直/B//2009-12-3019陳曦近代物理實驗口頭報告6.測量地磁場的水平分量先使掃場、水平場與地磁場=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地=3.184×10-5Ttanα=0.806α=38.87°2009-12-3020陳曦近代物理實驗口頭報告=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地在中國的大部分地區(qū)，地磁偏角在-10°～+2°之間?！猈ikipedia各地的磁偏角：

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上海4°26'

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——百度百科Latitude31.33°NLongitude121.48°EDeclination=5°34'Wchangingby0°4'W/year

——NOAASatellitesandInformation,NationalGeophysicalDataCenter(NGDC).2009-12-3021陳曦近代物理實驗口頭報告在中國的大部分地區(qū)，地磁偏角在-10°～+2°之間。2009-12-3022陳曦近代物理實驗口頭報告2009-12-3022陳曦近代物理實驗口頭報告可能的原因計算錯誤

反復計算同學的數據參考地磁場水平分量小了10倍

地磁場強度大約10-5T地磁場垂直分量大了10倍N=100r=0.1530m

I=0.068A2009-12-3023陳曦近代物理實驗口頭報告可能的原因計算錯誤

反復計算同學實驗數據可能數據B//

/10-5T2.4792.479B垂直/10-5T1.9980.1998B地/10-5T3.1842.487tanα0.8060.0806α/°38.874.612009-12-3024陳曦近代物理實驗口頭報告B///10-5T2.4792.479B垂直/10-5我的結論地磁場的垂直分量數量級不正確，使結果擴大了十倍BNr中可能有一個量不正確2009-12-3025陳曦近代物理實驗口頭報告我的結論地磁場的垂直分量數量級不正確，使結果擴大參考資料1.戴道宣戴樂山.近代物理實驗.高等教育出版社，20062.吳思誠等.近代物理實驗.北京大學出版社，19953.吳泳華等.大學物理實驗.中國科學技術出版社，19924.楊福家.原子物理學.高等教育出版社，20042009-12-3026陳曦近代物理實驗口頭報告參考資料1.戴道宣戴樂山.近代物理實驗.高等教育出版社，2謝謝！2009-12-3027陳曦近代物理實驗口頭報告謝謝！2009-12-3027陳曦近代物理實驗口頭報告光泵磁共振實驗電子科學與技術A14：陳曦

073003000772009-12-3028陳曦近代物理實驗口頭報告光泵磁共振實驗電子科學與技術A14：陳曦

073003000實驗目的了解光抽運的原理，掌握光泵磁共振實驗技術，并測量汽態(tài)銣（Rb）原子的g因子。2009-12-3029陳曦近代物理實驗口頭報告實驗目的了解光抽運的原理，掌握光泵磁共振實驗技術，并測量汽態(tài)銣原子能級的超精細結構和塞曼分裂原子能級的超精細結構是由原子的核磁矩與電子磁矩互作用產生的，當原子處于弱磁場B中時，原子的總磁矩與磁場相互作用使能級進一步分裂形成等間距的塞曼子能級。各能級能量差為到的躍遷產生波長為7948?的D1線，到的躍遷產生7800?的D2線。實驗原理2009-12-3030陳曦近代物理實驗口頭報告銣原子能級的超精細結構和塞曼分裂原子能級銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009-12-3031陳曦近代物理實驗口頭報告銣原子的兩種同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如圖2009在磁場中，原子在各子能級上的數目按玻耳茲曼分布，當用左旋圓偏振光照射氣態(tài)銣原子時，根據光躍遷選擇定則光抽運效應及偏極化的保持

87Rb的52S1/2態(tài)塞曼子能級上經過多次激發(fā)和自發(fā)輻射后，大量原子被抽運到基態(tài)F=2mF=+2的子能級上，形成原子在各能級間的非平衡分布稱為偏極化。2009-12-3032陳曦近代物理實驗口頭報告在磁場中，原子在各子能級上的數目按玻耳茲曼分布，當用左旋圓偏類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居在F=2子能級上，對85Rb，則抽運到mF=+3的子能級上。有了偏極化就可以得到較強的磁共振信號。2009-12-3033陳曦近代物理實驗口頭報告類似情形可用右旋偏振光照射，最后原子都集居對于87Rb，因光抽運，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，mF=+2能級上，偏極化達到飽和。這時在垂直于B的平面內施加一個頻率為ν的射頻場B1，當滿足磁共振條件塞曼子能級間的磁共振和光探測時,在塞曼子能級間產生感應躍遷，稱為磁共振。磁共振消除了原子分布的偏極化，由于光連續(xù)照射，存在光抽運，原子又被抽運到mF=+2子能級上，因而躍遷與抽運達到一個新平衡。2009-12-3034陳曦近代物理實驗口頭報告對于87Rb，因光抽運，大量原子都聚積到基態(tài)F=2，光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個數量級，故光抽運與磁共振躍的過程就可以連續(xù)地進行下去。通過測量光強的變化，即可得到磁共振信號。儀器的巧妙之處就是將一個低頻射頻光子（1～10MHZ）轉換成高頻光頻光子（108MHZ），從而使信號功率提高了7～8個數量級。2009-12-3035陳曦近代物理實驗口頭報告光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個數量級，故光抽運與磁實驗裝置2009-12-3036陳曦近代物理實驗口頭報告實驗裝置2009-12-309陳曦近代物理實驗口頭報告TektronixTDS1002雙蹤數字示波器愛使AS3343頻率計數器新建XJ1630信號發(fā)生器DH807型光磁共振實驗裝置2009-12-3037陳曦近代物理實驗口頭報告TektronixTDS1002雙蹤數字示波器20實驗過程1.磁場測量亥姆霍茲線圈中電流I(A)電阻R(Ω)半徑r(m)匝數N2009-12-3038陳曦近代物理實驗口頭報告實驗過程1.磁場測量2009-12-3011陳曦近代物理實2.光抽運信號的觀察掃場選擇為方波，選擇掃場方向與地磁場水平分量方向相反。2009-12-3039陳曦近代物理實驗口頭報告2.光抽運信號的觀察2009-12-3012陳曦近代物理實3.磁共振信號的觀察利用三角波掃場，本實驗用掃場法即固定v改變B，來觀察和測量磁共振信號，通過改變三角波方向，找出并區(qū)分對應于87Rb和85Rb的共振信號。注意區(qū)分共振信號與光抽運信號，這里注意B由三部分組成，即水平線圈產生的磁場B0、掃場線圈產生的磁場B掃和地磁場水平方向的磁場B//組成。每當磁場B值與射頻頻率ν滿足共振條件時，銣原子分布的偏極化被破壞，產生新的抽運。2009-12-3040陳曦近代物理實驗口頭報告3.磁共振信號的觀察利用三角波掃場，本實驗用掃場法即2009-12-3041陳曦近代物理實驗口頭報告2009-12-3014陳曦近代物理實驗口頭報告4.測量gF因子用三角波掃場。固定磁場，調節(jié)ν，測出共振時所對應的頻率ν1，改變水平磁場方向，重復上述步驟，測出ν2則注意：同一B下，存在兩個v產生共振信號，頻率高的對應于87Rb，低的對應于85Rb。2009-12-3042陳曦近代物理實驗口頭報告4.測量gF因子用三角波掃場。固定磁場，調節(jié)ν，測出gFI/A85Rb87Rb0.250.3380.3390.5070.5070.350.3380.3410.5090.5100.450.3390.3390.5090.50985Rb平均gF=0.339相對誤差1.7%87Rb平均gF=0.509相對誤差1.8%2009-12-3043陳曦近代物理實驗口頭報告gF85Rb平均gF=0.3395.測量共振線寬固定磁場，改變射頻頻率v，使共振信號平移Δx。如果對應的頻率改變量為Δν，半寬高為d，則線寬為：2009-12-3044陳曦近代物理實驗口頭報告5.測量共振線寬固定磁場，改變射頻頻率v，使共振信號平Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.124MHzΔx=24.0msh=70mVd=6.8ms=35.13KHz2009-12-3045陳曦近代物理實驗口頭報告Δv=0.540MHz-0.416MHz=0.1246.測量地磁場的水平分量先使掃場、水平場與地磁場水平分量方向相同，調節(jié)射頻場頻率，待共振后，讀得ν1，再同時使掃場、水平場反向，待共振后讀得ν2，則地磁場大小地磁場方向tanα=B垂直/B//2009-12-3046陳曦近代物理實驗口頭報告6.測量地磁場的水平分量先使掃場、水平場與地磁場=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地=3.184×10-5Ttanα=0.806α=38.87°2009-12-3047陳曦近代物理實驗口頭報告=2.479×10-5TB垂直==1.998×10-5TB地在中國的大部分地區(qū)，地磁偏角在-10°～+2°之間?！猈ikipedia各地的磁偏角：

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上海4°26'

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——百度百科Latitude31.33°NLongitude121.48°EDeclination=5°34'Wchangingby0°4'W/year

——NOAASatellitesandInformation,Natio