光泵磁共振实验报告_3.doc

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6-2 光泵磁共振实验报告 by 物理学院刘纩 实验时间:2012-3-15 实验仪器: TDS2002示波器,光磁共振实验装置,DH807型光磁共振实验装置电源及辅助源,YB1631功率函数信号发生器。 实验目的: 了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂 了解光抽运现象的原理和应用 学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振 实验原理: 铷是一价碱金属,其原子基态是5S1/2,即轨道角动量量子数L=0,自旋S=1/2,轨道角动量与自旋耦合后的电子总角动量为J=1/2。其最低激发态是5P1/2 和5P3/2 双重态,是由LS耦合产生的,J分别为1/2与3/2。在5P和5S之间的跃迁为铷原子的第一条线,是双线,前者到5S1/2为D1,后者到5S1/2为D2。再考虑到电子总角动量(量子数为J)与原子核自旋(量子数为I)的耦合作用之后,原子总角动量的量子数F=I+J,I+J-1,…,I-J。故而 μF=- gF= 其中 gJ=1+ 在磁场B0中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂,磁量子数mF=F,F-1,…,-F. 即分裂成2F+1个能量间隔基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子能级之间(?mF= ?Em 在实验中,我们用频率为ν的光来对原子进行激发时,满足hν=?E 时即发生光吸收,且原子跃迁满足选择定则: ?L=±1; ?F=±1,0; ?mF 所以,当入射光为左旋圆偏振时,原子只能发生磁量子数改变为+1的跃迁,当使用D1σ+时,则基态处于m 在垂直于B0的方向上加一圆频率为ω1的射频场B1,当满足共振条件hω1/2π=?EmF=gFμBB0 实验步骤及对即时数据的初步处理: 不加水平场只加方波扫场,观测光抽运信号,测得弛豫时间为9ms。 87Rb和85 原理公式为:gF=ν/BμB/h,可改写成:ν=μBg 方法一: 使射频场频率从800kHz到1200kHz之间变化,每次变化50kHz。每取定一个频率值时,改变水平场的大小直至观测到共振信号(每个频率值下有两次共振峰出现,先出现的为87Rb,后出现的为85Rb),即光吸收加强的信号。记录此时产生水平场的线圈中的电流值。由上述改写成的公式,通过线性拟合分别计算出87 由线圈电流计算磁场的公式:B=(16π/53/2)(NI/r)* 水平线圈N=250,r=0.2366m 即时记录数据如下: ν/kHz I(87Rb B/G I(85Rb) B/G 800 0.141 0.670 0.262 1.24 850 0.155 0.736 0.284 1.35 900 0.171 0.812 0.307 1.46 950 0.187 0.888 0.330 1.57 1000 0.201 0.955 0.353 1.68 1050 0.216 1.03 0.376 1.79 1100 0.231 1.10 0.397 1.88 1150 0.246 1.17 0.420 2.00 1200 0.261 1.24 0.442 2.10 方法二: 取定射频场频率ν=1000kHz,可测得一组数据,包括两种同位素发生共振时的水平场电流,可计算得相应的所加水平磁场。之后利用公式I(87Rb)=0.204A,I(85Rb)=0.355A,ν=μBgFh(B平行+BS+Be 未反向 I(87Rb B/G I(85Rb B/G 0.204 0.969 0.355 1.69 反向后 I(87Rb B/G I(85Rb B/G 0.406 1.93 0.557 2.65 地磁场水平分量的测量。 方法与上面的方法二类似,只不过在磁场改变方向时将水平场与扫场均变向,则公式成为:ν=μBgFh(B平行+ 未反向 I(87Rb B/G I(85Rb B/G 0.335 1.59 0.486 2.31 反向后 I(87Rb B/G I(85Rb B/G 0.405 1.92 0.555 2.64 实验结果: 1.光抽运过程的弛豫时间为9ms。 2.对gF 方法一: 由表格中数据拟合得到ν对于B平行 对于87Rb,ν=697.6B平行(G)+333.4( 对于85Rb,ν=465.0B平行(G)+221.5( 且μB/h=1.3996MHz/G=1399.6kHz/G 对于87Rb,计算得gF=0.498,理论值为 对于85Rb,计算得gF=0.332,理论值为 方法二: 由所推导公式得: 对于87Rb,gF=0.493; 对于85Rb, 3.对地磁场水

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