1、中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 材物二班 姓名： 焦方宇 同组者： 杜圣 教师：周丽霞光泵磁共振【实验目的】1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场【实验原理】1Rb 原子基态及最低激发态的能级在第一激发能级 5P 与基态 5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。 到 的跃迁产生的谱线为 D1 线，波长是 794nm； 到 的跃2/1P52/1S 2/1P52/1S迁产生的谱线为 D2 线，波长是 780nm。在核自旋 I = 0 时
2、，原子的价电子 L-S 耦合后总角动量 PJ 与原子总磁矩 J 的关系 J=-gJe2 （1）（2）)2J(SL)1gJI0 时，对 ， I = 3/2；对 ， I = 5/2。总角动量 F= I+J,| I-J |。Rb87Rb85基态 F 有两个值：F = 2 及 F = 1； 基态有 F = 3 及 F = 2。由 F 量子数表征b87的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为：F=-gFe2mPF （3）（4）1)2F(IJ)(gJF在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数 F, F-1, ,-F，裂成Fm2F 1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级。在弱磁场条件
3、下，通过解 Rb 原子定态薛定锷方程可得能量本征值为（5）Bg)1I()J()F(2hEF0 由（5）式可得基态 的两个超精细能级之间的能量差为/1S5（6）)()(aF相邻塞曼子能级之间（ m1）的能量差为 （7）mFB0Eg2. 圆偏振光对 Rb 原子的激发与光抽运效应电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光可引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒） 。而当入射光是左旋圆偏振光（角动量为）时，量子力学给出的跃迁定则为 （角动量守恒） 。,1L,0F1mF的 态及 态的磁量子数 最大值都是+2，当入射光是 时，Rb872/1S52/P 光的 1D由于只能产生
4、=+1 的跃迁，基态 +2 子能级的粒子不能跃迁， 当原子经历无FmF辐射跃迁过程从 回到 时，粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若2/12/15干循环之后，基态 +2 的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到F基态 +2 的子能级上，这就是光抽运效应。F3. 弛豫过程在热平衡状态下， 基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布（8） 由于各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数)kTE(expN0相等。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。本实验涉及的几个主要弛豫过程有以下几种
5、：1、铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。2、铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。3、铷原子与缓冲气体的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小，对原子的偏极化基本没影响。4. 塞曼子能级间的磁共振垂直于 B0的方向所加一圆频率为 的射频场 ，当1)sin()cos(111 teteByx满足共振条件 （9）时，塞曼子能级之间将发生磁共振。抽运到012BgEhFm基态 子能级上的大量粒子，由于射频场 的作用产生感应跃迁，即由mF1跃迁到 。 同时由于光抽运的存在，处于 子能级上的粒子又将F 2mF被抽运到 子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的平衡。在
6、发生磁共振时，2由于 子能级上的粒子数比未共振时多，因此对 光的吸收增大。2mF 1D5. 光探测射到样品泡上 线的光 一方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光又可以兼1D作探测光。测量透过样品的 光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光1探测，巧妙地将一个低频射频光子（110MHz）转换为一个光频光子（ MHz）,使信号810功率提高了 78 个数量级。【实验仪器】本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图 1.图 2 主体单元示意图主体如图 2 所示。光源采用高频无极放电 Rb 灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于 D2 线的存在不利于 D
7、2 线的光抽运，故用透过率大于 60%，带宽小于 15nm 的干涉滤光片就能很好地滤去 D2 线。用高碘硫酸奎宁偏振片和 40 微米左右的云母 1/4 波片可产生左旋偏振光 +，透镜 L1 可将光源发出的光变为平行光，透镜 L2 将透过样品泡的平行光汇聚到光电接收器上。【实验内容】1观测光抽运信号：1）将“垂直场” 、 “水平场” 、 “扫场幅度”旋钮调至最小，射频信号发生器“幅度调节”调至最小，接通主电源开关和池温开关，约 30 分钟后，灯温、池温指示灯点亮。2) 调节“水平场”旋钮，调节水平磁场线圈电流的大小在 0.20A 以下，将指南针置于主电源射频信号发生器辅助源 主体单元 示波器图
8、1 光磁共振实验装置方框图吸收池上边，判断水平磁场和地磁场的方向关系，改变水平场的方向，使水平场方向与地磁场水平方向相反，然后将指南针拿开，并且将水平磁场线圈电流调至最小。3）扫场方式选择“方波” ，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。4）预置垂直场电流为 0.07A，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。2观测光磁共振信号1）扫场方式选择“三角波” ，幅度保持 1 状态，设置水平磁场方向、扫场方向和地磁场水平分量相同，调节射频信号发生器“幅度调节”旋钮，使射频信号峰峰值在 4.5V。在水平场
9、电流分别为 0.24A，0.20A 和 0.18A 时， ，读出对应的频率 1。2）按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。仍用上述方法，可得到 2，则利用公式（7-3-10）可求出 gF因子。3测量地磁1）同测 gF因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得 1；2）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到 3。这样由（7-3-14）式可得地磁场水平分量 ，并根据 =（ + ） 1/2可/eBe2/Be得到地磁场的大小。3）垂直磁场由下式计算 （T） （7-3-73/2105NIBr15）式中 N 和 r 是两个
10、垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的 I 值是流过单个线圈的电流。表 7-3-1 厂家给出的线圈参数水平场 扫场 垂直场线圈每边匝数 N 250 250 100线圈有效半径 r 0.2388m 0.2420m 0.1530m【数据处理】一、 测量 gF因子表 1 测量 gF数据表同向频率 1(KHZ)反向频率 2(KHZ)BDC(T) gF=h( 1+ 2)/2 B BDCgF平均值水平场电流(A) 87Rb 85Rb 87Rb 85Rb 87Rb 85Rb 87Rb 85Rb 87Rb 85Rb0.24 1089.2 722.24 509.94
11、345.05 1129.62 0.5060 0.33770.20 950.75 633.93 391.49 257.05 941.34 0.5096 0.33830.18 844.68 592.47 356.52 211.23 847.21 0.5068 0.33910.5075 0.3384用式（7-3-11） 可算出B DC ，用式（7-3-10） 72/31056rNIBDC DCBFhg2)(1可算出 gF， 其中N和r可从表 7-3-1 中读出。利用式（7-3-12）可得： gf(87Rb)/gf(85Rb)=0.5044/0.3371=1.4997因此实验数据和结果与理论基本相符。
12、二、测量地磁场表 2 测量地磁场数据表反向频率 3/kHz Be/=h( 1- 3）/2g f B/10-7T Be/平均值/10 -7T水平场电流/A87Rb 85Rb 87Rb 85Rb0.24 786.78 521.71 213.00 211.820.20 652.80 432.50 209.86 212.770.18 595.34 392.22 175.62 211.55205.77利用式（7-3-15）可得垂直方向上的地磁场的平均强度为： )(1087.5105324TrNIB地磁场的强度大小为：5.8736六、思考题1、光抽运的物理过程如何？造成什么后果？光抽运的物理过程为：气态原
13、子受 左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则 1D ,0F1 ， ，进行跃迁FM在由 能级到 能级的激发跃迁中，由于 光子的角动量为 ,只能产1/2S51/2P1D2/h生 的跃迁。基态 子能级上原子若吸收光子就将跃迁到 的状1FM2FM3FM态，但 各自能级最高为 。/2P5因此基态中 子能级上的粒子就不能跃迁。F由于 的激发而跃迁到激发态 的粒子可以通过自发辐射退激回到基态，当原子经1D 1/2P5历无辐射跃迁过程从 回到 时，则原子返回基态各子能级的概率相等，这样经1/2/S过若干循环之后，基态 子能级上的原子数就会大大增加，即大量原子被“抽运”FM到基态的 的子能级上。F结果：造成了偏
14、极化，使光泵磁共振信号加强。 2.方波扫场、水平场在光抽运过程中起什么作用？对方波扫场和水平场的方向、振幅有何要求？答:方波扫场、水平场在光抽运过程中抵消了地磁场在水平方向上的分量。方波扫场提供一个周期性的磁场，使光抽运周期性发生。 在观察光抽运信号时，设置水平场为零，并使扫场方向与地磁场水平分量方向相反，并调节扫场幅度，使光抽运信号与总磁场的信号等高。【实验总结】在做本实验时，由于不熟悉实验操作，重新做了好多次才做出，首先要注意的是，在测光抽运信号时，要测好水平场和扫场的方向，否则后面实验无法进行。其次，在做完光抽运信号的观察后，要通过调节扫场消除掉光抽运信号，否则会影响后面的光磁共振信号的观测。在调节射频信号发射器频率时，从小到大，会出现两次峰值，频率大的为铷 87，频率小的为铷 85。实验误差主要来源与外界光的干扰和肉眼观测信号是的误差。在测量地磁场反向频率时由于 与 得出的数据比较接近， ，需要仔细反复的多测几次才得出了比Rb875较好的数据记录。总之，通过这次实验加深了对光抽运和光磁共振的了解，掌握了很多知识。【原始数据附录】
