光磁共振0資料

1、光磁共振,近代物理實(shí)驗(yàn)中心,,實(shí)驗(yàn)背景 光磁共振技術(shù)是20世紀(jì)50年代初期法國物理學(xué)家卡斯特勒(A ·Kastler)提出的。1966年， Kastler由于在這方面的貢獻(xiàn)而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。該技術(shù)是將光抽運(yùn)與射頻磁共振相結(jié)合的一種雙共振過程。將光抽運(yùn)用圓偏光束激發(fā)氣態(tài)原子的方法以打破原子在所研究的能級(jí)間玻耳茲曼熱平衡分布，造成所需的布居數(shù)差，從而在低濃度的條件下提高共振強(qiáng)度。在相應(yīng)頻率的射頻場激勵(lì)下，可觀

2、察到磁共振信號(hào)。,,在探測磁共振信號(hào)方面，不直接探測原子對(duì)射頻量子的發(fā)射或吸收，而是采用光探測的方法，探測原子對(duì)光量子的發(fā)射吸收。由于光量子的能量比射頻量高七、八個(gè)數(shù)量級(jí)，所以探測信號(hào)的靈敏度得以提高。,,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過研究銣原子基態(tài)的光磁共振，加深對(duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；2、掌握光磁共振的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；3、測定銣原子的朗德因子(g)和地磁場的強(qiáng)度。,實(shí)驗(yàn)原理,一般磁共振技術(shù),無法進(jìn)行氣態(tài)樣品的觀測,因?yàn)闅鈶B(tài)樣品的濃度比固態(tài)或液態(tài)樣

3、品低幾個(gè)數(shù)量級(jí),共振信號(hào)非常弱.光磁共振是把光抽運(yùn)、磁共振和光探測技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來,以研究氣態(tài)原子精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的一種實(shí)驗(yàn)方法. 光抽運(yùn)就是利用圓偏振光激發(fā)氣態(tài)原子，以打破原子在所研究能級(jí)間的熱平衡的玻爾茲曼分布,造成能級(jí)間所需要的粒子數(shù)差,以便在低濃度下提高磁共振信號(hào)強(qiáng)度.,,光泵磁共振采用光探測方法,即探測原子對(duì)光量子的吸收而不是采用一般磁共振的探測方法,即直接探測原子對(duì)射頻量子的吸收.因?yàn)楣饬孔幽芰勘壬漕l量子的能量高幾

4、個(gè)數(shù)量級(jí),因而大大提高了探測靈敏度. 光磁共振實(shí)驗(yàn)中都以銣(Rb)原子氣體為樣品,它有 和 兩種同位素.以 為例,它的原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)式原子的核磁矩與電子磁矩相互作用產(chǎn)生的.,銣原子結(jié)構(gòu),,研究對(duì)象：銣(Rb)的氣態(tài)自由原子，價(jià)電子處于第五電子層，主量子數(shù)n=5，軌道量子數(shù)L=0,1,…..n-1,電子自旋量子數(shù)S=1/2.原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成：由電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互作用(L-S耦合)發(fā)生能級(jí)分裂。銣原子基

5、態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的形成：用J表示電子總角動(dòng)量量子數(shù)，J=L+S,L+S-1,…,,由表可見,銣原子基態(tài)是 (L=0,S=1/2, J=L+S=1/2)能級(jí),最低激發(fā)態(tài)為5p能級(jí).原子中電子的軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量在LS耦合下分裂為 和 (L=1,S=1/2,J=L-S=1/2和J=L+S=3/2)能級(jí).因此, 5s和5 p能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生兩條波長相近的譜線 和

6、 . 原子中電子的軌道磁矩為 自旋磁矩為 其中 和 電子軌道角動(dòng)量和電子自旋角動(dòng)量.,,和 為相應(yīng)的g因子,e和 為電子的電荷和質(zhì)量. LS耦合時(shí)，合

7、成的總磁矩為 如果在LS耦合的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮原子核自旋對(duì)能級(jí)的影響,銣原子的兩種同位素,由于中子數(shù)的不同, 和 的核自旋量子數(shù)I分別為3/2和5/2,即在I-J耦合(核磁矩和電子磁矩的耦合)下，5s和5p能級(jí)將再次分裂，稱超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí).耦合后的量子數(shù)F=I+J+,…I-J, 的F=2,1, 的F=3,2.,,當(dāng)原子位于外磁場B中，由于原子的總磁矩與磁場的相互作用，原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)又會(huì)分裂為

8、2F+1個(gè)等間距的塞曼能級(jí). 其中量子數(shù) , 是玻爾磁子.由于 ,因此，相鄰塞曼能級(jí)的能級(jí)間距為,,能級(jí)圖,,的基態(tài)為為 即L=0, S=1/2, J=L+S=1/2,而核自旋量子數(shù)為I=3/2，所以總量子數(shù)F=I+J或I-J，即F=2或1. 當(dāng)銣原子處于磁場B中時(shí),原子總磁矩與磁場相互作用時(shí)能級(jí)進(jìn)一步分裂成等間距的塞曼能級(jí),能級(jí)

9、為： 式中 為磁量子數(shù),相鄰的子能級(jí)間的能量差為,,,其中：對(duì)于 基態(tài) ， , 當(dāng)F=2時(shí),可得 對(duì)于 基態(tài) ，當(dāng)F=3時(shí),得 由于分裂的塞曼能級(jí)間的能量差很小,可以認(rèn)為原子在塞曼能級(jí)上的分裂是均勻的，所以光磁共振實(shí)驗(yàn)要用銣光譜燈產(chǎn)生的D1譜線的左旋圓偏振光 照射樣品銣原子上，使之產(chǎn)生光抽運(yùn)效應(yīng).于是大量粒子被

10、抽運(yùn)到 基態(tài) 的子能級(jí)上, 從而出現(xiàn)了粒子數(shù)的不,,,,,,,,,,,,,均勻分布，即“偏極化”，此時(shí)如果在垂直于外磁場B 的方向上加以射頻磁場,當(dāng)射頻場頻率為 滿足 則塞曼子能級(jí)之間將產(chǎn)生感應(yīng)躍遷,稱為磁共振.此時(shí)透過樣品銣的 的光就減弱了,如用一光電探測器來收集透射光，則將輸出一個(gè)負(fù)向的電壓脈沖信號(hào),即共振吸收信號(hào),可將其送至示波器上進(jìn)行顯示.,,當(dāng)抽運(yùn)效應(yīng)開始時(shí)，樣品會(huì)吸

11、收794 的 共振光的能量,使穿過樣品的光強(qiáng)度減弱,達(dá)到飽和時(shí)，停止吸收能量,光強(qiáng)度增加，這樣就形成了光抽運(yùn)信號(hào).當(dāng)光抽運(yùn)過程完成后，樣品偏極化，此時(shí)光吸收停止.,,,實(shí)驗(yàn)裝置,2、對(duì)Z軸的力矩,,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,一、調(diào)節(jié)儀器1、用指南針測量地磁場方向，使主體光軸與地磁場水平方向平行。2、調(diào)節(jié)面板( a )確定水平線圈、豎直線圈和掃場線圈與其換向開關(guān)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；( b )調(diào)節(jié)主體單元光學(xué)元件處于等高位置，調(diào)整透鏡的位置以得到

12、較好平行光束； ( c ) 按下預(yù)熱鍵，加熱銣樣品泡在40~60攝氏度。,2、觀測光抽運(yùn)信號(hào),掃場方式選擇方波,調(diào)大掃場幅度,將指南針置于吸收池上邊,分別判斷出掃場方向和水平場方向,并記錄下來.此時(shí)設(shè)置掃場方向與地磁場水平分量方向相反.水平場取零(儀器本身有一點(diǎn)值).取去指南針后用黑布遮蓋主體單元,避免光電探測器接受到其它雜散光,影響信號(hào)幅度和線型.預(yù)置垂直場電流的大小為0.06A,用來抵消垂直分量.正確選取方向，即與地磁

13、場垂直分量反相,即可觀測到光抽運(yùn)信號(hào).再多次調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏振片的角度,掃場幅度,垂直場大小,使光抽運(yùn)信號(hào)最佳.再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦,使光抽運(yùn)信號(hào)幅度最佳.,在示波器上觀察到光抽運(yùn)信號(hào)，得到如下圖所示的掃場與光抽運(yùn)信號(hào)的對(duì)照?qǐng)D。,3、觀測光磁共振信號(hào),在獲得最佳的光抽運(yùn)信號(hào)的基礎(chǔ)上,改用三角波作為掃場,開啟射頻信號(hào)源,對(duì)Rb吸收泡施加射頻磁場,用水平磁場線圈產(chǎn)生一水平磁場(地磁場垂直分量已抵消),連續(xù)調(diào)節(jié)射頻信號(hào)源的頻率,即可在示波

14、器上得到共振信號(hào).,3、測量光磁共振信號(hào),(a)測量g 加上方向同地磁場水平方向相同的三角波掃場以及頻率為 的射頻磁場，調(diào)節(jié)頻率的大小，觀察磁共振信號(hào)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：假設(shè)頻率為 時(shí)觀察得到磁共振信號(hào)，這時(shí)：,,,,,,,,,當(dāng)水平場反向，頻率為 時(shí)得到的另一個(gè)共振信號(hào)，此時(shí)：,由此可得朗德因子：,,,,需要注意的是：銣原子有兩種同位素，所以會(huì)出現(xiàn)兩次共振信號(hào)，頻率高的為 共振信號(hào),頻率低的為 共振信號(hào)。

15、,,,,,得到的信號(hào)圖如下：,(b)測量地磁場,測量方法同上，這次需要先上三者同向，然后同時(shí)改變掃場和水平場，使它們與地磁場的水平分量方向相反，此時(shí)：,,,地磁場水平分量為：,,因?yàn)榇怪贝艌稣玫窒卮艌龅拇怪狈至?，從面板上的?shù)字顯示可知垂直場電流以及儀器說明書上提供亥姆霍茲線圈參數(shù)，可以確定地磁場垂直分量的數(shù)值，地磁場的水平分量和垂直分量的矢量和即為地磁場。,實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng),(1)在實(shí)驗(yàn)過場中應(yīng)注意區(qū)分 和 的共振譜線。當(dāng)水平磁