光泵磁共振实验（实验步骤为DH807型仪器）

光泵磁共振实验（实验步骤为DH807型仪器） (DH807型) 山东师范大学近代物理 1 光泵磁共振 【实验目的】 1(了解光磁共振的基本原理 2(掌握用光抽运进行磁共振观察和测量的基本方法 3(实验观察铷元素基态的光磁共振，并利用光磁共振信号测量铷元素基态的g因子 F【实验原理】 一、基本知识: 85871铷:Rb，Z=37，碱金属，天然铷有两种稳定的同位素:Rb和Rb，分别占72.15%和27.85%。 222它们的基态都是5S，最低光激发态均为双重态:5P和5P 1/21/23/22量子数 基态 最低激发态 ?价电子, 主量子数 n = 5， n = 5 轨道量子数 L = 0， L = 1 自旋量子数 S = 1/2， S = 1/2 总角动量量子数 J = 1/2(L-S耦合) J = 3/2，1/2(J=L+S和L-S) 1 22形成双重态,5P和5P，产生精细分裂。 1/23/2 87?原子核:Rb的核自旋量子数 I = 3/2， 85 Rb的核自旋量子数 I = 5/2， ?原子:I-J耦合产生总角动量P，其总角动量量子数F=I+J，i+J-1，I+J-2，…，|I-J| F 87以Rb为例，介绍超精细分裂的情况。 2基态(对于电子态5S): F = I+J，I-J = 3/2 + 1/2，3/2 - 1/2 = 2，1。 1/2 2激发态:对于电子态5P， F = I+J，I-J = 3/2 + 1/2，3/2 - 1/2 = 2，1。 1/2 2对于电子态5P， F = I+J， I+J-1， I+J-2， I-J 3/2 = 3/2+3/2， 3/2+3/2-1， 3/2+3/2-2, 3/2-3/2 = 3， 2， 1, 0。 每个能级发生了超精细分裂。 ?磁量子数M:当有外磁场时，原子能级在磁场中发生进一步分裂，称为塞曼分裂。 F M= -F，-F+1，… ，F-1，F，共有2F+1个值，即一个F能级分裂成2F+1F 个子能级。 2 二、铷原子的能级结构 1,精细结构,电子自旋与轨道运动之间的相互作用(L-S耦合)发生能级分裂，这时电子 e的总磁距μ为: 其中 ,,,gPJJJJ2m J(J，1),L(L，1)，S(S，1)g,1， 就是著名的Longde因子。 J2J(J，1) 2,超精细结构,原子核自旋角动量P和核外电子的角动量P耦合(J-I耦合)成一个更大IJ 的角动量，用符号P表示，其量子数用F表示，则原子总磁矩为 F F(F，1)，J(J，1),I(I，1)eg,g 其中 ,,,gPFJFFF2F(F，1)2m 3,塞曼能级,在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的 能量E,gM,B，各能级发生进一步分裂，各相邻能级的能量差为:FFB ,24,1,,eh2m,9.2741，10JT,E,g,B，其中称为玻尔磁子。 BFB 三、铷原子的偏极化和偏极化过程,光抽运过程, 8787以Rb为例，当气态Rb原子受D1左旋圆偏振光照射时，基态塞曼能级上的原 2,M,，1子吸收光子能量往高能级跃迁，其选择定则为:，。由于5P,F,0，,11/2能级上的最高子能级为M=+2，因此基态M=+2塞曼子能级上的原子将不能吸收入射光FF 向高能级跃迁。而其他子能级上的原子由于都满足跃迁选择定则，能够跃迁到高能级;跃迁到高能级上的原子不稳定，在退激过程中，其选择定则为:， ,F,0，,1 。其中将有一部分原子落在基态的M=+2子能级上，使改子能级上的原子,M,0，,1F F,2M,，2数增多。因此经多次反复上下跃迁后，基态上，子能级上的原子数越F 来越多，直至达到饱和。从而产生粒子数反转。这一过程称为光抽运。当外磁场为一通过零点的周期性变化(如方波)时，光抽运也将周期性的出现。 3 铷原子在进行光抽运的同时，也在进行着相反过程，即系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态，这一过程称为驰豫过程。实验中，是通过在样品中充入一种分子磁矩很小的缓冲气体而减小驰豫过程而保持铷原子较高偏激化的。 四、光磁共振: 经过光抽运的铷原子蒸气在“粒子数反转”后，在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频量子的频率ν，当ν和B满足共振条件h,,g,B时，相邻塞曼子能级之间产生共振跃迁，其选择定则为。,F,0,,M,,1FBF处于M = +2子能级上的原子会放出一个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样F 的量子而跃迁到M = +1的子能级，M = +2上的原子数就会减少;同样，M = +1子能FFF级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到M = 0的子能级上;…，如此下去，5S态F 的上面5个子能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低;跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时M = +2子能级上的原子不再能久F 留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。 nh,,g,B注:当ν和B满足共振条件时，能级之间也产生共振跃迁，但此时产生FB 的共振信号强度明显减小，此为谐波共振。 五、因子的测量 1(换向法(略) 2(线形拟合法 h,,g,(B，B，B)由共振条件: 得: FBDCSe hB,,B,B，, (1) DCSeg,FB 16NI,,7又知:= (2) QIB,，10(T)DC325r 16N16，3.1416，250,,7,4,7，10,4.6494，10令 = Q,，1033225r5，0.4220 将(2)式代入(1)式得: 1hI,(,B,B)，, (3) SeQQg,FB I显然，和之间呈线行关系，即形式。 ,I,a，b, h,gb利用最小二乘法线性拟合，可求的斜率，即，从而求得因子。 FQg,FB 六、地磁场的测量 (选做，略) 4 【实验装置】: 一(主体装置: 水平磁场线圈 射频线圈 铷光源 干涉滤光片 偏振片 透镜 透镜 光电池 至示波器 R b放大器 高频 恒温槽 1/4波片 振荡器 垂直磁场线圈 图7-4-12 光磁共振主体单元的构成示意图 二(实验装置电源及辅助电源 1(实验总体装置 主 示波器 射频 主 辅 体 Y Y 12信号 电 助 装 发生 ? ? 源 源 置 器 2(DH807型光磁共振实验装置电源和辅助源 “DH807型光磁共振实验装置电源”主要提供水平磁场电源和垂直磁场电源; “DH807型光磁共振实验装置辅助源”主要提供扫场电源和铷光灯及样品池的加热电源， 以及温度控制电路;另外，还可改变扫场的方向。 四(实验内容: 1(仪器的准备: (1)对照实验总体装置图及光路图熟悉所用实验仪器; 5 (2)光路调节(主体装置的光路已事先调节好，不需再调整); (3)铷光谱灯和样品池的预热:打开“DH807型光磁共振实验装置”电源开关，按下“DH807 型光磁共振实验装置辅助源”的“池温”开关，至“池温”和“灯温”指示灯亮。池温 和灯温已满足实验要求。 (4)打开示波器开关。 2(观察光抽运信号: (1)将“DH807型光磁共振实验装置电源”的“垂直”及“水平”磁场旋钮调至最小; (2)按下“方波、三角波”按钮(即加上“方波扫场”)，然后轻轻旋动“扫场幅度”旋钮，使 扫场幅度为0.5—1.0伏(若衰减为0.5，则示波器上的扫场信号幅度为1—2格) (3)顺时针旋转调节“垂直磁场”至光抽运信号幅度最大。此时垂直场和地磁场正好大小 相等，方向相反，记此时垂直磁场线圈电流。 弄清光抽运信号的物理意义;观察垂直磁场对光抽运信号的影响。 3(观察光磁共振信号: (1) 将扫场改为“三角波”; (2) 顺时针旋转“水平”磁场，使“水平”磁场电流缓慢增加，直到示波器上的光抽运信号完 全消失(建议调至0.3A以上)，此时原子达到最大偏极化。 (3)打开射频信号发生器，调节左侧“FREQUENCY”旋钮以改变信号频率，直到示波器 上出现光磁共振信号，表明发生了磁共振。继续改变射频场频率，致共振信号消失， 到再次出现第二个共振信号，上述两信号分别为R元素的两同位素的共振信号。注b 意观察共振信号对应的位置。在改变射频频率的过程中，理解共振信号变化的原因。 g4(因子的测量: F (1)改变射频场频率，使共振信号在示波器上一个周期内只出现一个，此时信号应和扫, I,场三角波的波峰或波谷相对应，记下此时的水平场电流和射频频率，填入下表;11 继续调节射频频率至出现第二个元素的共振信号，同样使其信号在示波器上只出, 现一个(注意:信号所处位置应和第一次相同，即处于扫场三角波的波峰或波谷)， 8587,记下此时射频频率;这两个共振信号和频率分别对应于，观察哪一Rb和Rb2 8587个为的共振信号，哪一个为的共振信号。 RbRb ,,注意:?射频频率和时，最好选择共振信号都处于波峰处(或都处于波谷处)。 12 8785?和所占比例为27.15%:72.85%，信号强度与其含量有关。 RbRb ?另外，对于每一元素，相同磁场下，可能会出现多个共振信号，这是因为出现 nh,,g,B了满足的谐波共振情况(此时信号明显减弱)，但实验中只要求FB h,,g,B记录满足共振条件的频率。 ,FB I(2)改变“水平磁场”至值(变化范围要求在0.3—0.8A之间)，再重复上述操作步骤，直2 6 到测六组以上数据。(注意频率计上显示的频率单位为，进行斜率计算时须换KHZ 为赫兹) HZ I(A) i ,(H) Z1 (H) ,Z2 (1) 用最小二乘法求g因子: F (2) 计算理论值，并求实验值的相对误差。 5(回答书后思考 871)为什么不使用Rb的D线作为泵辅光, 2 22答:D线为由5P能级的铷原子跃迁到5S能级产生的光线，能量较D线高，当用23/21/2122D线作为泵辅光时，可将5S能级的所有子能级上的原子都激发到5P能级(因为对21/23/22于5P能级，I—J耦合后的角动量有四个量子数F=3，2，1，0，而F=3的能级在外磁场3/2 中将分裂为7个子能级，量子数分别为M=3，2，1，0，-1，-2，-3)，无法实现铷原子的F87偏极化，故观察不到光抽运现象。所以不能使用Rb的D线作为泵辅光。 2 2)使用周期性的“扫描场”有什么好处, 答:使用周期性的“三角波扫描磁场”可以使射频场频率和水平外场B周期性的满足共振, 条件，使要观察的光磁共振信号周期性的出现，便于观察。对于光抽运现象的观察也是如此，当加上周期性的“方波扫描场”后，可使塞曼能级周期性的兼并和分裂，从而可周期性的观察光抽运信号。 3)地磁场的垂直分量必须很好地被抵消，怎样知道这一点, 答:光抽运信号最强时即说明地磁场的垂直分量被抵消。 874)在三角波的一个扫描周期内能否由Rb原子引起两个吸收信号, 答:能够。当与射频场频率,满足共振条件的磁场B处于总外磁场的波峰和波谷之间时， 87B，B，B即时，可由Rb原子引起两个吸收信号。 minmax 5)光磁共振实验中进行光抽运信号的观察时,为什么需加一个扫场和垂直磁场? 答:加扫场是为了使光抽运和光磁共振信号周期性出现;加垂直磁场是为了抵消地磁场的垂直分量，使光抽运信号和光磁共振信号最大。 87856)实验中怎样区分和的共振信号? RbRb 85878587答:天然铷有两种稳定的同位素和，其中占72.15%，占27.85%，因RbRbRbRb 7 8587此的信号强，信号弱。 RbRb 7)简述铷原子的偏极化过程。 答:处于外磁场中的铷原子，由于L—S耦合I—J耦合，以及原子总磁距和外静磁场的相 287互作用，产生超精细塞曼分裂，以为例，其量子数分别为:基态5S:F=1，M=1，RbF12 20，-1;F=2，M=2，1，0，-1，-2;最低激发态:F=1，M=1，0，-1;F=2，M=2，5PFFF12 ，1，0，-1，-2。处于磁场环境中的铷原子对于光的吸收遵守如下选择定则:D,1 。因此5S能级 的8条子能级中除了M=+2的子能级外，都可吸收,F,,1,0;,M,，1F ，光而跃迁到5P的有关子能级，而M=+2的子能级上的原子既不往高能级跃迁也没D,F1 有条件往低能级跃迁;另一方面，跃迁到高能级上的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级，跃迁选择定则是:。因此退激过程中有一部分原子,F,,1,0;,M,,1,0 ，跃迁到5S能级中的M=+2的状态，而这一状态的原子是不会吸收光跃迁的，那些D,F1，回到其他7个子能级上的原子都可再吸收光重新跃迁到5P能级。当光连续照射着，D,1 跃迁过程就会持续下去。最后差不多所有的原子都跃迁到了5S,5P,5S,5P,？ 5S态的M=+2的子能级上。这个过程就是铷原子的偏极化过程,也形象的称之为光抽运。 F 8)简述铷原子光磁共振原理。 当铷原子达到偏极化(即“粒子数反转”)后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传 h,,g,B播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频量子的频率ν，使之满足，这FB时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于M = +2子能级上的原子会放出一个F 频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到M = +1的子能级，M = +2FF上的原子数就会减少;同样，M = +1子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到F M = 0的子能级上;…，如此下去，5S态的上面5个子能级很快就都有了原子，于是光F 吸收过程重又开始，光强测量值又降低;跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时M = +2子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。即:F 当“粒子数反转”后，加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号时又引起强烈吸收 +的现象称为光磁共振。实验中让共振公式周期性地成立，则可以观察到铷原子对Dσ光1的周期性吸收的现象。 注:第七和第八思考题(简述铷原子的偏极化过程和简述铷原子光磁共振原理)，如实验的原理部分已有，可不写。 8