1、精選文檔銣原子的光泵磁共振試驗(yàn) 學(xué)號 姓名： 試驗(yàn)日期： 指導(dǎo)老師：【摘要】 在本試驗(yàn)中我們運(yùn)用光泵磁共振技術(shù)，爭辯了銣原子的光抽運(yùn)信號和磁共振信號，最終測量得的朗德因子為0.4981，的朗德因子為0.3348，以及地磁場的大小為0.4245GS. 關(guān)鍵詞：光抽運(yùn)、磁共振、超精細(xì)結(jié)構(gòu)、塞曼子能級、朗德 因子一、引言：光泵，也稱光抽運(yùn)，是借助于光輻射獲得原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級或塞曼子能級間粒子數(shù)的非熱平衡分布的試驗(yàn)方法。光泵磁共振技術(shù)實(shí)際上是將光抽運(yùn)技術(shù)和射頻或微波磁共振技術(shù)相結(jié)合的一種試驗(yàn)技術(shù)，它是1955年法國科學(xué)家卡斯特勒（A.Kastler）創(chuàng)造的。在光泵磁共振技術(shù)中，一方面光抽運(yùn)轉(zhuǎn)變了

2、磁能級上的粒子數(shù)分布，使更多的粒子參與磁共振；另一方面實(shí)行光探測的方法而不直接測量射頻量子，從而克服了磁共振信號弱的缺點(diǎn)，把探測靈敏度提高了七八個(gè)數(shù)量級。如今，光泵磁共振已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)物理爭辯，比如原子的磁矩、能級結(jié)構(gòu)和g因子測量。此外，在原子頻標(biāo)、激光及弱磁場測量等方面，這一方法也是極為有利的試驗(yàn)手段。本試驗(yàn)爭辯銣原子的光泵磁共振現(xiàn)象，并測量銣原子的朗德g因子和地磁場強(qiáng)度。 二、 原理:試驗(yàn)爭辯的對象是Rb原子，其最外層有一個(gè)價(jià)電子，位于5s能級上，因此其電子軌道角動(dòng)量量子數(shù)L=0,電子自旋軌道角動(dòng)量量子數(shù)s=1/2.其總角動(dòng)量量子數(shù)。所以Rb原子的基態(tài)只有，標(biāo)記為。5P與基態(tài)5S之間產(chǎn)生

3、的躍遷是銣原子主線系的第一條譜線，譜線為雙線。到的躍遷產(chǎn)生的譜線為D1線，波長是794.8nm；到的躍遷產(chǎn)生的譜線為D2線，波長是780.0nm。在核自旋I=0時(shí)，原子的價(jià)電子經(jīng)L-S耦合后總角動(dòng)量和原子的總磁矩的關(guān)系為 當(dāng)I不為零時(shí)，核磁矩與電子自旋及軌道磁矩相互作用，使能級進(jìn)一步分裂，產(chǎn)生了超精細(xì)結(jié)構(gòu)。則耦合后的總量子數(shù)為，的，它的基態(tài)，具有和兩個(gè)狀態(tài)。的，它的基態(tài)，具有和 兩個(gè)狀態(tài)。整個(gè)原子的總角動(dòng)量與總磁矩之間的關(guān)系可寫為 ： 在外加磁場作用下，超精細(xì)能級進(jìn)一步分裂，形成塞曼子分裂。磁量子數(shù)，即分裂成2F+1個(gè)能量間距基本相等的塞曼子能級。相鄰塞曼子能級間的能量差為： 在熱平衡條件下，

4、各能級的粒子數(shù)遵守玻爾茲曼分布，而超精細(xì)結(jié)構(gòu)的塞曼子分裂能級相差很小，導(dǎo)致各子能級上的粒子數(shù)基本上可認(rèn)為是相等的，因此我們接受光抽運(yùn)的方法，使粒子數(shù)聚集分布在某一能級從而實(shí)現(xiàn)偏極化。的態(tài)及態(tài)的磁量子數(shù)最大值都是+2，當(dāng)入射光是時(shí)，由于只能產(chǎn)生 =+1 的躍遷，基態(tài)+2 子能級的粒子不能躍遷，如圖 1示：圖 1 （a） 87Rb基態(tài)粒子吸取D1s+光子躍遷到激發(fā)態(tài)的過程；（b）87Rb激發(fā)態(tài)粒子通過自發(fā)輻射返回基態(tài)各子能級。由圖知該圓偏振光能把除+2以外的各子能級上的原子激發(fā)到的相應(yīng)子能級上，而向下輻射躍遷的概率相等，這樣經(jīng)過若干循環(huán)后+2子能級上的粒子數(shù)就越來越多，這就是光抽運(yùn)。這時(shí)其它能級上

5、的粒子數(shù)已大大減小，若加一個(gè)使電子從+2向 =+1躍遷的頻射場，就產(chǎn)生了感應(yīng)躍遷。這樣，由于產(chǎn)生磁共振，對的吸取增大，故可以通過對的吸取強(qiáng)度的變化推斷是否產(chǎn)生了磁共振，而光的能量遠(yuǎn)大于射頻場的能量，這樣就提高了試驗(yàn)的精度，可以使信號功率提高7-8個(gè)數(shù)量級。另外，從非熱平衡分布狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)的過程叫弛豫過程,在試驗(yàn)中為了保持原子分布的偏極化，我們要抑制弛豫過程。三、 試驗(yàn)：1.試驗(yàn)裝置如圖 2示：圖 2 光泵磁共振裝置2試驗(yàn)裝置作用：光源接受高頻無極放電Rb燈，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，噪音小，光強(qiáng)大。由于D2線的存在不利于D1線的光抽運(yùn)，故用透過率大于60，帶寬小于15nm的干涉濾光片就能很

6、好地濾去D2線。用高碘硫酸奎寧偏振片和40m左右的云母14波片可產(chǎn)生左旋圓偏振光。透鏡L1可將光源發(fā)出的光變?yōu)槠叫泄猓浣咕喑＝邮躥58cm的凸透鏡。透鏡L2將透過樣品泡的平行光會(huì)聚到光電接受器上。3.試驗(yàn)方法：a.將“垂直場”、“水平場”、“掃場幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開關(guān)。然后接通電源線，按下電源開關(guān)。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點(diǎn)亮，試驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。b.掃場方式先選擇“方波”，適當(dāng)調(diào)大掃場幅度。設(shè)置掃場方向與地磁場水平重量方向相反,預(yù)置垂直場電流為0.,方向與地磁場垂直方向相反然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度，調(diào)整掃場幅度及垂直場大小和方向（綜合調(diào)整），使光抽運(yùn)信號（如圖3）幅度最大。再

7、認(rèn)真調(diào)整光路聚焦，使光抽運(yùn)信號幅度最大。這樣，我們就可以使出射的為圓偏振光，使垂直方向的磁場剛好抵消地磁場。圖 3 （上）光抽運(yùn)信號 （下）掃場波形c.保持垂直場的大小和偏振片的位置不變,掃場方式改為“三角波”，打開頻率計(jì)，設(shè)置射頻頻率為650KHz，在01A的電流范圍內(nèi)調(diào)整水平方向的電流，然后觀看共振信號，特殊留意在三角波谷和波峰處的共振信號，然后對水平場和掃場信號與地磁場水平方向的不同組合狀況下測量四個(gè)共振信號所對應(yīng)的水平場電流值，依據(jù)這些數(shù)值就可以算出銣原子的和地磁場。(測量數(shù)據(jù)如表 1所示)表 1 試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)垂直方向電流0.064ARb85Rb87射頻（kHz)掃場水平場較小值（A)

8、較大值（A)較小值（A)較大值（A)650.00 0.146 0.230 0.048 0.133 650.00 0.361 0.445 0.263 0.350 650.00 0.277 0.361 0.179 0.264 4.留意事項(xiàng)a.通常樣品泡的溫度應(yīng)穩(wěn)定在4060，而銣燈的溫度應(yīng)把握在90左右，所以要先預(yù)熱半小時(shí)才可以開頭試驗(yàn)。b.試驗(yàn)中要用黑布蓋住主體單元，以免其它雜亂信號的干擾。c.掃場的時(shí)候要留意過零，否則既觀看不到光抽運(yùn)信號，也無法調(diào)出圓偏振光，也無法完全抵消垂直方向的地磁場。四、試驗(yàn)結(jié)果分析與爭辯本試驗(yàn)用到的參數(shù)：（如表2示）表 2 試驗(yàn)中的參數(shù)項(xiàng)目名稱水平場掃場垂直場線圈每邊

9、匝數(shù)（N）250250100有效半徑r(m)0.23930.23600.1530試驗(yàn)具體過程：首先應(yīng)借助指南針將光具座與地磁場水平重量平行擱置，這樣我們算出來的地磁場才是精確的。接下來將“垂直場”、“水平場”、“掃場幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下池溫開關(guān)。然后接通電源線，按下電源開關(guān)。約30分鐘后，燈溫、池溫指示燈點(diǎn)亮，試驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。掃場方式先選擇“方波”，適當(dāng)調(diào)大掃場幅度。設(shè)置掃場方向與地磁場水平重量方向相反, 這樣才可以使得加在銣原子上面的磁場B消滅零點(diǎn)，隨著加入方波信號周期性的變化，這樣就可以反復(fù)消滅光抽運(yùn)現(xiàn)象，再通過光電池將光信號轉(zhuǎn)化為電信號將信號輸送至示波器，我們就可以觀測到光抽運(yùn)

10、信號。（就如圖3所示）預(yù)置垂直場電流為0.07,方向與地磁場垂直方向相反。然后我們通過一邊旋轉(zhuǎn)偏振片的角度，一邊調(diào)整掃場幅度及垂直場大小和方向，使光抽運(yùn)信號幅度最大。這樣，我們就可以使出射的為圓偏振光，使垂直方向的磁場剛好抵消地磁場。再認(rèn)真調(diào)整光路聚焦，使光抽運(yùn)信號幅度達(dá)到最大。保持垂直場的大小和偏振片的位置不變,掃場方式改為“三角波”，打開頻率計(jì)，設(shè)置射頻頻率為650KHz，在01A的電流范圍內(nèi)調(diào)整水平方向的電流，然后觀看共振信號，特殊留意在三角波谷和波峰處的共振信號，然后對水平場和掃場信號與地磁場水平方向的不同組合狀況下測量得四個(gè)共振信號所對應(yīng)的水平場電流值。現(xiàn)象：之前調(diào)光抽運(yùn)信號時(shí)，我們

11、已將掃場幅度調(diào)到一個(gè)最佳狀態(tài)，所以觀看磁共振信號時(shí)掃場幅度保持不變，只要調(diào)整水平場的電流大小。對于掃場與水平場正或負(fù)的不同組合下，測量電流與觀看共振信號時(shí)的步驟大致相同。首先將水平電流調(diào)到一個(gè)比較大的值使共振信號消逝，即在示波器上表現(xiàn)為一條亮線，然后漸漸的調(diào)小水平方向的電流，直至在三角波的一個(gè)周期上剛好消滅一個(gè)共振信號，先消滅的是的，此時(shí)記錄下電流為I2 ，然后再漸漸調(diào)小電流直至在三角波的一個(gè)周期剛好消滅兩個(gè)共振信號，此時(shí)記錄下電流為I1。接著重復(fù)述操作步驟，也分別記錄下的兩個(gè)電流。分析：由試驗(yàn)過程可知可以通過下面的計(jì)算得到：1.當(dāng)掃場為正，水平場為正時(shí)，總磁場、地磁場、水平場關(guān)系如圖 4所示

12、：圖 4 掃場為正，水平場為正的磁場關(guān)系圖2.當(dāng)掃場為正，水平場為負(fù)時(shí)，總磁場、地磁場、水平場關(guān)系如5所示：圖 5 掃場為正，水平場為負(fù)的磁場關(guān)系圖從上面的關(guān)系可以看出 將H換為B，則 計(jì)算銣原子的因子：（將兩表格的數(shù)據(jù)代入下面的式子）： =0.9323GS= ： 理論上的的為1/2，的gF因子為1/3，將試驗(yàn)值和理論值作對比得到試驗(yàn)誤差為：通過計(jì)算可以得到試驗(yàn)值與理論值在誤差允許范圍內(nèi)能夠很好吻合，這就為測量朗德g因子供應(yīng)了一種方法。試驗(yàn)中通過垂直方向的線圈消退了地磁場垂直重量帶來的影響。試驗(yàn)中應(yīng)留意在主體裝置四周要避開其他鐵磁性物質(zhì)、強(qiáng)電磁場及大功率電源線等，避開其對試驗(yàn)結(jié)果造成誤差。計(jì)算

13、地磁場大小：（將兩表格的數(shù)據(jù)代入下面式子） 分析：地磁場對光抽運(yùn)信號有很大影響，特殊是地磁場垂直重量，因此安裝了一對垂直方向的亥姆霍茲線圈以抵消其影響。試驗(yàn)中通過觀測光抽運(yùn)信號的大小來推斷是否抵消了地磁場垂直重量，當(dāng)光抽運(yùn)信號最大時(shí)，消退了垂直重量的影響。試驗(yàn)中通過測量光抽運(yùn)信號峰峰值來推斷信號何時(shí)最大。但由于示波器掃頻小于光抽運(yùn)信號變化頻率，故而得到的信號不能穩(wěn)定地在屏幕上顯示，這對光抽運(yùn)信號的觀測會(huì)造成肯定影響，對地磁場垂直重量的測量會(huì)帶來肯定誤差。 B總= =0.4245GS綜上：1. 試驗(yàn)得到的87Rb的gF=0.4981與理論值的誤差為0.38%2. 試驗(yàn)得到的的gF=0.3348，與理論值的誤差為0.44%。3. 測得地磁場的水平重量為：0.1972GS,垂直重量：0.3759GS。五、結(jié)論：通過本試驗(yàn)我了解了四種不同的磁共振現(xiàn)象，重點(diǎn)把握了光泵磁