光泵磁共振实验报告

《光泵磁共振实验报告》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、6-2光泵磁共振实验报告by物理学院00904149刘纩实验时间：2012-3-15实验仪器：TDS2002示波器，光磁共振实验装置，DH807型光磁共振实验装置电源及辅助源，YB1631功率函数信号发生器。实验目的：1.了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂2.了解光抽运现象的原理和应用3.学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振实验原理：铷是一价碱金属，其原子基态是5S1/2，即轨道角动量量子数L=0，自旋S=1/2，轨道角动量与自旋耦合后的电子总角动量为J=1/2。其最低激发态是5P1/

2、2和5P3/2双重态，是由LS耦合产生的，J分别为1/2与3/2。在5P和5S之间的跃迁为铷原子的第一条线，是双线，前者到5S1/2为D1，后者到5S1/2为D2。再考虑到电子总角动量（量子数为J）与原子核自旋（量子数为I）的耦合作用之后，原子总角动量的量子数F=I+J，I+J-1，…，I-J。故而85Rb的基态有F=3及F=2，87Rb的基态有F=2及F=1。由F量子数表征的能级称之为超精细结构能级。原子总角动量PF与总磁矩μF之间的关系为：μF=-gFe2mPFgF=gJFF+1+JJ+1-I(I+1)2F(F+1)

3、其中gJ=1+JJ+1-LL+1+S(S+1)2J(J+1)在磁场B0中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数mF=F,F-1,…,-F.即分裂成2F+1个能量间隔基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子能级之间（∆mF=±1）的能量差为：∆EmF=gFμBB0在实验中，我们用频率为ν的光来对原子进行激发时，满足hν=∆E时即发生光吸收，且原子跃迁满足选择定则:∆L=±1;∆F=±1,0;∆mF=+1（入射光为σ+）0（入射光为π）-1（入射光为σ-）所以，当入射光为左旋圆偏振时，原子只能发生磁量子数改变为+1的跃迁，当使用

4、D1σ+时，则基态处于mF=+2的粒子跃迁概率为零，而由激发态退激发回基态的粒子返回基态各子能级的概率是相等的，这样经过若干次循环之后，基态mF=+2的子能级上的粒子数就会大大增加，相当于大量粒子被抽运上去，此即为光抽运效应。在垂直于B0的方向上加一圆频率为ω1的射频场B1，当满足共振条件hω1/2π=∆EmF=gFμBB0时，塞曼子能级之间发生磁共振。即由于射频场而发生感应跃迁，主要表现为mF=+2上的原子跃迁到mF=+1，此过程与之前所述的光抽运效应达成动态平衡，此时由于处于mF=+2之外能级上的粒子增多，遂导致对D

5、1σ+光的吸收增大。实验步骤及对即时数据的初步处理：1.不加水平场只加方波扫场，观测光抽运信号，测得弛豫时间为9ms。1.87Rb和85Rb的g因子测量。原理公式为：gF=ν/BμB/h，可改写成：ν=μBgFhB，而B=B平行+BS+Be，第一项为所加水平场，第二项为水平扫场，第三项为地磁场的水平分量。方法一：使射频场频率从800kHz到1200kHz之间变化，每次变化50kHz。每取定一个频率值时，改变水平场的大小直至观测到共振信号（每个频率值下有两次共振峰出现，先出现的为87Rb，后出现的为85Rb），即光吸收加强

6、的信号。记录此时产生水平场的线圈中的电流值。由上述改写成的公式，通过线性拟合分别计算出87Rb和85Rb的gF值，并和理论计算结果相比较。由线圈电流计算磁场的公式：B=(16π/53/2)(NI/r)*10-3G水平线圈N=250，r=0.2366m即时记录数据如下：ν/kHzI(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G8000.1410.6700.2621.248500.1550.7360.2841.359000.1710.8120.3071.469500.1870.8880.3301.5710000.2010.9

7、550.3531.6810500.2161.030.3761.7911000.2311.100.3971.8811500.2461.170.4202.0012000.2611.240.4422.10方法二：取定射频场频率ν=1000kHz，可测得一组数据，包括两种同位素发生共振时的水平场电流，可计算得相应的所加水平磁场。之后利用公式I(87Rb)=0.204A，I(85Rb)=0.355A，ν=μBgFh（B平行+BS+Be），将水平场反向，则公式变成ν=μBgFh（B平行-BS-Be）。二者相加则得到：2ν=μBgFh

8、（B平行正+B平行反）。即时数据如下：未反向I(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G0.2040.9690.3551.69反向后I(87Rb)/AB/GI(85Rb)/AB/G0.4061.930.5572.651.地磁场水平分量的测量。方法与上面的方法二类似，只不过在磁场改变方向时将水平场与扫场均变向，则公