实验 05 塞曼效应实验

实验05 塞曼效应实验 实验06 电子顺磁共振实验实验07 光磁共振实验实验08 单光子计数实验

实验分组： (二个大组) 第02组，共12人每周二19：00—22：00 20104756 柯尊辰 20104757 唐德君 20104758 李勇 20104759 梁含笑 20104760 王大为 20104762 何阳 20104763 刘承朋 20104764 唐小舒 20104765 任志远 20104766 黄康 20104767 冉政 20104768 冉超第01组，共13人每周二15：50—18：50 20104741 李崇 20104742 雷熊 20104743 蒋可军 20104744 关彬 20104745 申艾麟 20104746 夏铭伟 20104747 瞿珂 20104749 邵勇 20104751 赵硕 20104752 渠广昊 20104753 裴岩松 20104754 徐利军 20104755 辛晓军

注意事项： 1，爱护仪器：正确使用，操作轻缓； 2，防止损坏：严禁猛力扭、扳、拉、扯； 3，实验完毕，整理仪器：所有电流、电压旋钮回零，所有锁紧松开，仪器摆放整齐；上课规定： 1，进入实验室后先签到； 2，提前写好预习报告，课上完成并提交实验报告。

预习报告的内容： 1，实验题目； 2，实验目的； 3，实验仪器； 4，实验原理； (完整、简明、扼要地叙述有关 "物理过程"、"物理现象"、"物理关系"，给出必要的 "关系式"、"电路图"、"光路图" 等 )

实验报告的内容： 1，实验步骤和内容 (标题式的简述“主要步骤和内容”) 2，数据处理，实验结果 (数据表格，计算公式，代入数据及量纲，计算结果，实验曲线，等 ) 3，误差分析（选做）

一、电流环的磁矩，磁矩在磁场中的势能 二、量子理论的简单回顾，德布罗意关系，物理量取值的量子化实验05 塞曼效应实验三、原子能级在磁场中的分裂，塞曼效应，光的产生四、法布里-珀罗标准具测光的波长，电子荷质比的测量五、实验仪器介绍六、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告

磁矩的大小： S μ＝I ·S (安·米2) I 磁矩在磁场中的势能：一、电流环的磁矩，磁矩在磁场中的势能

二、量子理论的简单回顾， 德布罗意关系，物理量取值的量子化当被讨论对象物理量的大小在数量级上与普朗克常量可以比拟时，被讨论对象进入 (属于)“微观世界(量子世界)”，普朗克常数：h＝6.626×10-34 J·S 此时，量子现象、量子效应和量子规律等将发挥作用而不能被忽略。

其中，普朗克常数h ＝6.626×10-34 J·s 1，德布罗意关系德布罗意关系：具有一定能量 E和动量p的微观粒子，与频率 ν，波长入的波(几率波)的相互关系为：

p2/2m H=T+V 2，力学量用算符表示，物理量 (取值) 的量子化在坐标表象中 (算符的坐标表象) ，各物理量的算符：

在量子状态下， 所讨论对象的物理量只能取有一定规律的、间断(分立,台阶,量子化)的无限多个可能值，每个取值有一定的概率，此称为“物理量的量子化取值”。物理量 (取值) 的量子化：

同样，电子的轨道角动量， 就是原子的总角动量。 (角动量定义： ) 三、原子能级在磁场中的分裂，塞曼效应，光的产生 1 ，原子的 (总)角动量PJ 和 (总)磁矩μJ 在原子中，原子核的磁矩远远小于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。不考虑原子核的磁矩，电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和，就是原子的总磁矩。

自旋量子数S＝0，1，2，3，… 轨道量子数L＝0，1，2，3，… 电子的自旋磁矩和自旋角动量：电子的轨道磁矩和轨道角动量：

总磁矩： 总角动量和总能量(能级)：量子数J ＝L＋S＝ 0，1，2，3，… 原子的(总)磁矩、(总)角动量和(总)能量(能级)：量子数g ：朗德因子

y x 2，原子能级在磁场中的分裂，塞曼效应将原子放于外磁场时，各能级将获得附加能量：

所以有 所以各能级的附加能量为：定义： “一个能级分裂单位” 按量子规则，cosβ 只能取间断、连续的整数值，此为 “ 空间量子化 ”，量子数 M =J，J－1，……(J－1)，-J，共 (2J＋1) 个取值。

有磁场时,能级分裂: 无磁场时能级: ： J＝k，Ek Ek,M＝0 共(2k+1)条： J＝2，E2 E2,M＝0 共(2J+1)=5条 J＝1，E1 J＝0，E0 塞曼效应，原子能级分裂示意图： E1,M＝0 共(2J+1)=3条 E0,M＝0 共(2J+1)=1条

J＝2 E2,M＝0 J＝1 入2 E1,M＝0 J＝0 E0,M＝0 3，粒子在能级间的跃迁，光的产生以J2能级向J0能级的跃迁为例无磁场时，只有波长入2的光；有磁场时，共有5种波长的光。

单波长多方向光线的 衍射图样(同心圆环) k 级圆环 d 一个波长的多条光线中，某个方向的一条光线四、法布里-珀罗标准具测光的波长，电子荷质比的测量法布里-珀罗标准具又称"法布里-珀罗干涉仪"，简称“F-P 标准具”、“F-P干涉仪”，是利用多光束干涉测量微小波长差的仪器。

波长入，k级圆环 波长入，k+1级圆环 Dk Dk+1 进而有：波长入，k+1级圆环波长入，k级圆环无磁场时，单波长的圆环：有以下关系：其中 Δ 为一个常数，需由实验具体测定。

由德布罗意关系， 入5，k+1级圆环入4，k+1级圆环入3，k+1级圆环得：所以，对同级圆环中任意相邻圆环的能量差为：入2，k+1级圆环入1，k+1级圆环入5，k级圆环入4，k级圆环入3，k级圆环入2，k级圆环入1，k级圆环再由：入3，k+1级圆环入3，k级圆环可得：有磁场时，多波长的圆环：

1，F—P 标准具 法-珀板间距d＝40mm；透镜焦距 f＝80mm； 2，望远镜视场放大倍数：6 倍；主尺长度：1 cm 主尺最小分度值：1mm 测距鼓轮最小分度值：0.01mm；五、实验仪器介绍

六、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告六、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告 1，熟悉实验仪器。 2，调望远镜目镜，看清分划线(三横一竖)。 3，打开汞灯电源，测绿光的波长。 (绿光波长参考值入＝546.1nm) （1）调整 F - P 标准具和望远镜，在视场中看到清晰、尖锐的同心绿圆环。

x0 x1 x2 x4 x3 （2）数据记录 , 实验报告 x0＝ mm， x1＝ mm， x3＝ mm， x4＝ mm

D2＝…………… D3＝…………… D4＝…………… 法-珀板间距d＝40mm，透镜焦距f＝80mm；计算二次绿光的波长。

4，打开磁场电源，测电子的荷质比。 (电子荷质比参考值 ) 入1 3级入9 2级入9 3级入1 2级入1 1级入9 3级入1 2级入1 3级入9 2级入9 1级（1）调整磁场强度，观察圆环粗细的变化，找到使圆环最粗的磁场，用高斯计测量并记录磁场的大小。入1 1级入9 1级

（2）测量入1、入9（各测一次）， 计算电子的荷质比（e/me）。光速c ＝ 3×108m/s, B＝ T 本实验计算中，取 g ＝ 1 。本实验讲解结束

一，物质磁性的来源，顺磁性物质 二、原子能级的共振跃迁，电子顺磁共振现象 (顺磁性物质原子对电磁波能量的共振吸收) 三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告实验 02 电子顺磁共振实验

一，物质磁性的来源，顺磁性物质 原子的磁性来源于原子磁矩。原子中各个电子的自旋磁矩和轨道磁矩耦合成为总电子磁矩。同原子中所有电子的总磁矩相比，原子核的磁矩很小，可以略去不计。所以原子的总磁矩由原子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。

当原子组成分子或固体时， 某些分子、离子或自由基中，含有一个或几个未成对电子，它们的磁矩不能互相抵消，将构成总电子磁矩。含有这种未成对电子的原子、离子、分子、自由基等顺磁性粒子的物质，为顺磁性物质，才能观察到顺磁共振现象。

总磁矩： 由原子物理知，原子的(总)磁矩与(总)角动量的关系：量子数g ：朗德因子总角动量和总能量(能级)：量子数J ＝L＋S＝ 0，1，2，3，… 二、原子能级的共振跃迁，电子顺磁共振现象 (顺磁性物质原子对电磁波能量的共振吸收)

将原子放于外磁场时， 各能级将获得附加能量，形成新的能级(塞曼能级，磁能级)： y x

按量子规则，cosβ 只能取间断、连续的整数值，此为 “ 空间量子化 ”，所以有量子数 M =J，J－1，……(J－1)，-J，共 (2J＋1) 个取值。所以各磁能级的附加能量为：定义： “一个能级分裂单位”

即：磁场中的原子，其能级差为 Δε 。 定义：这样，各磁能级间的能量差为：

等于上述能量差时， 当电磁(波)场的能量所以，电子顺磁共振的共振条件为：也即共振条件为：再将原子放入电磁 (波) 场中，原子将吸收电磁(波)场能量而发生能级跃迁，此称 “共振吸收”、“共振跃迁”。

三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告 1，熟悉仪器和仪器连接，熟练使用示波器。 2，打开电子顺磁共振谱仪电源，预热10分钟。 3，调整微波源和谐振腔进入谐振状态，用示波器观察谐振信号。 (1)打开示波器电源，输入通道藕合方式置“直流(DC)档”, 伏/格旋钮选择200mV/500mV，秒/格旋钮选择 2.5ms/5ms/10ms。 (2)调调谐螺丝(3个)及螺杆，使谐振信号最大；调短路活塞，使谐振信号最小。反复上述操作，使谐振信号最大。

短路活塞 微波源 ( 共振源 ) 9370MHz 谐振腔三个调节(调谐)螺丝检波二极管晶体检波器 Q9头(接示波器) 调节(调谐)螺杆图3.1-18 谐振腔中驻波示意图

4，搜索、观察电子顺磁共振信号， 测量 DPPH 样品的朗德因子g 。 (1) 示波器输入通道藕合方式置“交流(AC)档”，伏/格旋钮选择 2mV/5mV/10mV/20mV，秒/格旋钮选择 1ms/2.5ms/5ms/10ms。 (2) 加上适当的扫场，形成可用示波器显示的共振信号波形。（ ①共振谱仪的“扫描调节”放于合适的位置； ②外置信号源信号输出选"50Hz正弦"，幅值旋钮小于满偏的一半。） (3)缓慢调整励磁电流(外加磁场)的大小，寻找、观察电子顺磁共振信号。 (4) 用高斯计测量磁场(B0) 并记录磁场的值。

DPPH样品 微波源 ( 共振源 ) 9370MHz 短路活塞谐振腔扫描调节直流调节扫描输出：在微波源信号上迭加一个小的低频微扰信号 ( 数十Hz)，形成可用示波器显示的共振信号。直流输出扫描输出直流输出：励磁电流，形成稳恒的水平磁场，产生能级分裂，形成磁能级。

未发生完美共振时示波器波形： 发生完美共振时示波器波形：外置信号源的扫场共振谱仪内的扫场

(5) 实验报告： 普朗克常数：h＝6.626×10-34 J·S 共振频率 ν ＝ 9.370×109Hz，共振磁场B0＝ T 计算DPPH样品的朗德因子 g：测量要求：测量值 “ g ≈2.0 (1.5 —2.5) ”。本实验讲解结束

一、实验原理(光磁共振，双共振，光抽运) 二、实验仪器介绍三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告实验 07 光磁共振实验

一、实验原理(光磁共振，双共振，光抽运) 在磁场中，塞曼分裂导致的磁能级间距通常比较小，因此，产生磁共振现象所需的能量通常位于微波或射频波段，这个频段的共振又称为 “赫兹共振”。对于磁共振信号很微弱的样品(比如气体样品)，此波段的电磁波能量要比光频段的能量小得多，普通的光谱仪器根本无法分辨，所以很难探测。

在光泵磁共振技术中， 一方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布(粒子数反转)，使更多的粒子参与磁共振，另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探测灵敏度提高了七八个数量级，同时又保持了磁共振分辩率高的优点。光磁共振实际上是使原子、分子的光(学频率)共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。

光 (泵) 磁共振所用的方法， 与核磁共振、电子顺磁共振相比，有二个重要的差别：第一，在相邻两个塞曼能级之间粒子数之差不再由玻尔兹曼分布决定，而是利用光抽运的方法，使相邻能级之间的粒子数差额增加了几个数量级；第二，磁共振不是通过样品磁偶极矩跃迁所辐射或吸收的功率大小来检测，而是测量共振之后所发生的通过样品吸收池的偏振光强度的变化，又使信号功率提高了7 ～ 8 个数量级。正因为如此，光泵磁共振能在弱磁场(0.1～1mT)下精确检测气体原子能级的超精细结构。

由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。1966年诺贝尔物理学奖授予卡斯特勒（Alfred Kastler，1902—1984），以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。本实验的研究对象是碱金属原子铷(Rb)的蒸汽，天然铷中含量大的同位素有两种： 85Rb 占 72.15% ，87Rb 占 27.85%。

二组线圈,二个磁场: 水平扫场, 水平稳场主体单元由函数信号发生器控制发生共振时条件为：去主体单元垂直稳场,消除地磁场函数信号发生器 (代射频信号器，为共振源) 三个磁场方向切换辅助电源及三个部件的加电: 1,铷灯; 2,铷泡; 3,光电池及电路板; 背板连线示波器水平扫场输出波形主电源辅助电源二、实验仪器介绍水平扫场电流调节三个线圈的加电: 1,水平扫场线圈,形成可用示波器显示的波形; 2,水平稳场线圈,形成磁能级的磁场; 3,垂直稳场线圈,消除地磁场的影响; 水平稳场电流调节垂直稳场电流调节

（1）垂直稳场电流置 0.07A 。 （2）扫场波形选“方波”。三、实验步骤，实验内容，数据记录，实验报告 1，熟悉仪器和仪器连接，熟练使用示波器。 2，主电源和辅助电源所有电流旋钮回“零”。 3，开主电源电源，按下辅助电源“池温”按键，等待“灯温”、“池温”灯亮(约需等待数分钟)。 4，用示波器观察光抽运信号。（3）调节扫场幅度，用示波器观察光抽运信号。

实验 05 塞曼效应实验