邹书竹复旦大学物理教学试验中心FudanPhysics.DOC

磁共振信号幅度的影响因素 邹书竹 （复旦大学 物理系, 上海 200433） 摘 要：利用DH807型光磁共振实验装置以扫场法测量磁共振信号，研究外磁场和铷原子的两种同位素以及射频场振幅如何影响磁共振信号幅度，并通过理论推导发现仅利用信号幅度推算同位素丰度比的方法不具备可行性；当射频磁场振幅足够大时，可以观察到双量子吸收的共振信号，信号幅度正比于射频场振幅平方。 关键词：波谱学 磁共振幅度影响因素 光泵磁共振 同位素丰度比 双量子吸收 The influencing factors of the range of optical pumping magnetic resonance ZOU Shu-zhu (Department of Physics, Fudan University, Shanghai, 200433) Abstract: With DH807 optical pumping magnetic resonance experiment device, the influencing factors of the range of optical pumping magnetic resonance are studied, including the external magnetic field, the difference between two isotopes of rubidium and the amplitude of radio- frequency field. And this paper concludes that to employ merely the range of magnetic resonance, the ratio of abundance of the two isotopes can not be figured out. In addition, when the amplitude of radio-frequency field is large enough, double-quantum absorption can be observed, and the range of this kind of magnetic resonance is proportional to the square of the amplitude of radio-frequency field. Keywords: wave spectroscopy; the influencing factors of the range of magnetic resonance; optical pumping magnetic resonance; ratio of abundance; double-quantum absorption 1、引言 物理学中常利用波谱学的方法研究物质内部结构。但对于气态物质，因为样品浓度较低，很难通过核磁共振等传统波谱学方法研究原子结构。上世纪50年代Kastler等人提出利用光抽运和磁共振技术，采用光探测的方法，使探测信号的功率提高了七八个数量级[1]。几十年来，光磁共振技术在研究碱金属原子能级结构、惰性气体超极化、电子频率标准和精测弱磁场方面有着重要的应用。 本文利用DH807型光磁共振实验装置进行实验，采用扫场法测量信号，分析磁共振信号幅度随磁场以及发生共振的同位素的关系；通过理论推导，研究利用信号幅度求出85Rb和87Rb丰度比的可行性；改变射频场振幅，观察磁共振的双量子吸收信号，分析单、双量子吸收与射频场振幅的关系。 2、理论背景 偏极化和光抽运 铷原子两种同位素的精细结构、超精细结构和塞曼分裂能级图如图1所示。 图1 塞曼能级分裂图 以87Rb原子为例说明光抽运过程。气态87Rb原子受D1?+左旋偏振光照射，遵守光跃迁定则：?F=0,±1，?M=+1，基态MF=+2能级上的粒子不能跃迁；但原子从激发态向下跃迁时各能级的跃迁都是允许的，由此增大了MF=+2能级的粒子数。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。原子受激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于密集称为光抽运[1]（如图2）。 图2 87Rb原子的光抽运过程 2.2 磁共振 经过一段弛豫过程，光抽运可使87Rb原子分布偏极化达到饱和，铷蒸汽对入射光的吸收最小。这时，在垂直于产生塞曼分裂的外磁场B的方向上加一频率为?的射频磁场，若?和B满足磁共振条件 (1) 式中gF是原子总磁矩的朗德因子，在塞曼子能级间会产生感应跃迁，称为磁共振[1]。这个过程可以理解为，87Rb原子吸收了能量为h?的量子后，受激跃迁至能级差为gF?BB的相邻能级。由于跃迁选择定则是