光磁共振郝维昌应用物理系凝聚态物理与材料物理研究中心

近代物理实验 光磁共振郝维昌应用物理系凝聚态物理与材料物理研究中心

近代物理实验要求 • 每次实验前必须预习，上课时交预习报告 • 实验报告务必用专用的实验报告纸 • 实验数据附在实验报告的后面，请用实验用记录纸记录数据； • 一定要留姓名和学号； • 报告的撰写要认真、字迹要清楚！ • 本实验作为研究型实验试点，实验报告要求包括以下内容：实验原理、背景知识、数据处理、思考题、操作心得等（6页以上）

实验背景 • 二十世纪五十年代初期，A·Kastler等人发展光抽运(Optical Pumping)技术，1966年， A·Kastler 由于在这方面的贡献而荣获诺贝尔奖。光抽运是用圆偏光束激发气态原子的方法以打破原子在所研究的能级间玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了共振强度。在相应频率的射频场激励下，可观察到磁共振信号。在探测磁共振信号方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射吸收。由于光量子的能量比射频量高七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。 RF signal photo-electric

实验目的 • 通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识； • 掌握光磁共振的实验技术； • 测定铷原子的因子和测定地磁场。

实验原理 • 光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。 • 如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子

能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。

1. 铷原子的基态及最低激发态能级 • 研究对象：铷（Rb）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2 • 原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂 • 铷原子基态与最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|

对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为 ；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为，如右图所示，形成两条谱线。 fine structure

2. 朗德因子的引入 电子轨道角动量和自旋角动量的合成电子总角动量电子总磁矩两者关系为其中

F用来表示原子总角动量量子数 • Rb87 I=3/2 J=1/2 F=2,1 • Rb85 I=5/2 J=1/2 F=3,2 核具有自旋和磁矩，核磁矩和电子总磁矩相互作用产生能级分裂称为超精细结构核的自旋量子数I Hyperfine Structure

电子总角动量和核自旋角动量 合成原子总角动量原子总磁矩两者关系为其中

3、塞曼子能级的形成 原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。这些能级用磁量子数来表示，能级间距相同。和相互作用能量表示如下：能级间距为：其中为玻尔磁子。 F 为原子总角动量量子数

4. 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应 将角动量为的左旋圆偏振光照射到气态原子后，根据光跃迁选择定则，基态中能级上的粒子数会越来越多，形成粒子数偏极化。高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。

5. 弛豫时间 粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）到平衡状态（玻尔兹曼分布）所需的时间。本实验中，在样品泡中加入少量分子磁矩较小的缓冲气体（如氮、氖等）避免铷原子与容器壁碰撞而使粒子失去偏极化。另外将温度保持在50到60摄氏度之间，尽量减小铷原子与容器壁的碰撞。

6. 塞曼子能级间磁共振 在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一频率为的射频磁场，当满足时发生磁共振，如此，粒子的偏极化程度降低，再次发生光抽运，最终形成光抽运与磁共振的动态平衡。由共振平衡条件可知: g = hν / μBB B=16 π*N*I*10-3/53/2*r N- 线圈匝数 r-线圈有效半径 I-线圈中的电流 B-磁场强度, GS

7. 光探测 照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。一、产生光抽运效应；二、可以通过测量透射光强得到磁共振信号。当各能级上的粒子数相同时，样品对偏振光吸收最强，透射光最弱；当粒子数偏极化强度最强时，透射光最强。这里通过透射光强的变化来得到磁共振信号，提高了测量灵敏度。

实验装置 示波器- 显示扫场波形和共振信号信号发生器- 输出射频信号并显示频率 Wave inspector Signal generator

光磁共振实验装置

实验内容 1.仪器调节 • 用磁针确定地磁场方向，使主体光轴与地磁场水平方向平行 • 调节面板 1）确定水平线圈、竖直线圈和扫场线圈与其换向开关方向的对应关系；

2）调节主体单元光学元件等高，调整透镜的位置以得到较好的平行光束2）调节主体单元光学元件等高，调整透镜的位置以得到较好的平行光束 3）按预热键，加温铷样品泡在40-600c 间，铷光谱灯在80-900c间，按工作键，这时除射频线圈的各线圈电源都已接通，开启高频振荡器，发紫红色光。 • 调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为π/4

脉冲幅度 扫场方波 t 信号幅度信号波形 t Fig.6 光抽运信号 2.观察光抽运信号 • 调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分量； • 加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反，在示波器上观察光抽运信号，得到如下图所示的扫场和光抽运信号的对照图：

3. 观察光磁共振信号 • 测量因子 1) 加上方向同地磁场水平方向的三角波扫场以及频率为的射频磁场，调节频率的大小观察磁共振信号，假设频率为时观察到共振信号；接着将水平场反向，频率为时得到共振信号，那么便是水平磁场对应的共振频率，由此可以得出因子。需要注意的是因铷原子有两种同位素，所以会出现两次共振信号，频率高的为共振信号；频率低的为共振信号。光磁共振信号如图７所示。

Fig.7 因子测量原理 扫场共振信号共振信号光磁共振信号图示

测量地磁场 测量方法同上，这次需要先让三者的方向相同，而后同时改变扫场和水平场的方向，最后地磁场分量对应的共振频率为。根据地磁场垂直磁场的大小和水平分量的大小即可得到地磁场的大小及方向。

数据记录与处理 1. 测量g因子第二组（扫场幅度II）第一组（扫场幅度I） v1水平场、扫场、地磁场水平方向相同 v2改变水平场方向 v=（v1+ v2）/2

2. 测量地磁场 第三组（扫场幅度II）第四组（扫场幅度III） v1水平场、扫场、地磁场水平方向相同 v2改变水平场、扫场方向 v=（v1 - v2）/2

质子质量 附:一些物理量常数 • 亥姆霍兹线圈轴线中心处磁感应强度： • 电子质量；； • 玻尔磁子 • 普朗克常数：其中为线圈匝数；为线圈有效半径；为直流电压；为线圈绕线电阻。

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