实验八光磁共振.docx

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1、云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验八光磁共振学生姓名：马晓娇学号：物理科学技术学院物理系2013级天文菁英班专业成绩指导老师：何俊试验时间：2015年9月17日13时00分至18时00分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学(演示□验证□综合□设计□)学生科研□课外开放□测试□其它□一、实验目的1.了解光抽运的基本原理；2.掌握光磁共振实验技术；3.测量气态Rb原子的g因子；4.测量地磁场强度。二、实验原理光汞磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程。

2、本实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是铷（rb）的气态自由原子。(一)铷（Rb）原子能级的超精细结构与塞曼分裂原子能级的超精细结构是原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用产生。当原子位于弱磁场中时，原子的总磁矩和磁场相互作用，将使能级进一步分裂形成塞曼子能级，这就是塞曼分裂。铷是一价的碱金属，天然铷中含量大的同位素有两种：占72.15%，占27.85%。铷的价电子处于第5壳层，即主量子数n=5。主量子数为n的电子，其轨道量子数L=0,1····n-1。基态的L=1，最低

3、激发态的L=1。电子自旋量子数S=1/2。电子轨道角动量与自旋角动量的耦合，使原子能级具有精细结构，电子的总角动量为表示电子的总角动量量子数，则有铷的基态，轨道量子数,自旋量子数,只有的一个态。铷的最低激发态，轨道量子数,自旋量子数,为双重态态，其总角动量量子数分别为和。5P于5S能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第1条线，为双线。它在铷灯光谱中的强度是很大的。跃迁产生波长为的D1谱线，跃迁产生波长的D2谱线。原子的价电子在LS耦合中，其总角动量与电子总磁矩的关系为：为朗德因子。核也具有自旋和磁矩。核磁

4、矩与总磁矩之间相互作用形成了原子的超精细结构。铷的两种同位素的自旋量子数I是不同的。核自旋角动量与电子总角动量耦合成原子的总动量角，有耦合成的超精细结构级能级，由F量子数标记。的,它的基态，具有的两种状态。的，它的基态是，具有两种状态。整个原子的总角动量与总磁矩之间的关系则为,其中的朗德因子可按类似于因子的方法求出。考虑到核磁矩比电子磁矩约3个数量级，实际上为在方向上的投影，从而得到当外原子处于外磁场B中，由于总磁矩和磁场B的相互作用，原子的能级将发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数表征塞曼子能级，则

5、即能级分裂成2F+1个间距相等的子能级。原子的总磁矩与磁场B的相互作用能为：各相邻塞曼子的能极差为：(1)(二)圆偏振光对铷原子的激发与光轴运效应光抽运的基础是光子和原子之间的相互作用。一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁。在磁场中，偏振光只能引起某些特定塞曼能级之间的跃迁。对于左旋偏正光即光，角动量为+h，根据角动量守恒定律，其选择定则为。原子的态的塞曼能级的最大值都为+2。因此，当用的D1光照射时，不能激发基态中能级上的原子向上跃迁。当从态自发跃迁时，选择定则为和。原子几乎以相等的几率回到基态的各塞

6、曼能级上，包括上的能级。由于基态中上的原子不能吸收光向上跃迁，当继续用光照射原子就会被抽运到的子能级上。粒子在个能级间的分部出现非平衡，这种非平衡分布称为量子偏极化。光抽运的目的就是造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振跃迁实验了。（三）弛豫过程在热平衡条件下，任意两个能级和上粒子数之比都能服从玻尔兹曼分布,为能级差，为两个能级上的原子数，是玻尔兹曼常数。由于能级差极小，可近似认为各个能级上的电子数是相等的。光抽运增大了粒子聚集数的差别，是系统处于非热平衡态分布状态。弛豫过程是

7、系统由非热平衡分布恢复到平衡分布状态的过程。促使系统趋向平衡的机制是原子之间以及原子与其他物质之间的相互作用。在实验过程中要保持原子分部程度有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回玻尔兹曼分布的趋势。（四）塞曼子能级的磁共振和光探测在弱磁场中，相邻塞曼子能级间的能量差已有（1）给出。设在垂直于恒定磁场B的平面内，加一个频率为的射频磁场B1，当满足磁共振条件：(2)时，那么和能级之间将发生磁共振。同时，由于抽运光的存在，那些从通过磁共振跃迁到的粒子将会跃迁到激发态，而处于激发态的粒子也将再返回到基态的的能级，

8、从而使粒子数的分布达到一种新的平衡态。即为，当有磁共振存在时，基态的能级上的粒子数，要小于没有磁共振时的粒子数，而对照射D1光的吸收也大大增加。照射在样品上的光，一方面抽运了原子，另一个方面，由于磁共振的存在会增加原子对光的吸收，因此可以通过测量透射光强来得到磁共振信号。射频频率和外磁场两者可以固定一个，改变另为一个以满足磁共振条件（2）。改变频率称为扫频法，改变磁场称为扫场法。三、实验内容及步骤（一）调节仪器1.用指南针确定地磁场方向,调