近代物理实验 实验报告.doc

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 光泵磁共振 【实验目的】 观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解 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。 学会利用光磁共振的方法测量地磁场 【实验原理】 1．Rb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； 到的跃迁产生的谱线为D2 线，波长是780nm。 在核自旋 I = 0 时，原子的价电子L-S 耦合后总角动PJ与原子总磁矩μJ的关系μJ=-gJe2 （1） （2） I≠0时，对， I = 3/2；对， I = 5/2。总角动量F= I+J,…,| I-J |。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： μF=-gFe2mPF （3） （4） 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2F＋1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级。 在弱磁场条件下，通过解Rb原子定态薛定锷方程可得能量本征值为 （5） 由（5）式可得基态的两个超精细能级之间的能量差为 （6） 相邻塞曼子能级之间（Δ＝±1）的能量差为（7） 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）。 的态及态的磁量子数最大值都是+2，当入射光是时，由于只能产生Δ =+1 的跃迁，基态＝+2 子能级的粒子不能跃迁， 当原子经历无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”到基态 ＝+2 的子能级上，这就是光抽运效应。 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： 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。 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，当满足共振条件（9）时，塞曼子能级之间将发生磁共振。抽运到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，即由跃迁到。同时由于光抽运的存在，处于子能级上的粒子又将被抽运到子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的平衡。在发生磁共振时，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。 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，实现了磁共振的光探测，巧妙地将一个低频射频光子（1―10MHz）转换为一个光频光子（ MHz）,使信号功率提高了7－8 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 图 主体单元示意图 ν1。 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ν2，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ν1； 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ν3。这样由（7-3-14），并根据=（+）1/2可得到地磁场的大小。 3）垂直磁场由下式计算 （T） （7-3-15） 式中N和r是两个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