实验6-3-光磁共振.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、实验提纲,光磁共振,是,光抽运,和,射频磁共振,相结合的一种,双共振过程,，是用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。双共振技术是由诺贝尔物理学奖获得者,A.Kastlor,于,20,世纪,50,年代提出的。,该技术既保存了磁共振高分辨的特点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，因此在激光物理、量子频标、弱磁场探测等方面都有重要应用价值。,以下所列的实验提纲对理解本实验至关重要：,1,、扫场,“,过,0,”,和,“,不过,0,”,是什么含义？观察光抽运信号时，为什么要求扫场,“,过,0,”,？,2,、实验中可以看到，当扫场,“,不过,0,”,时，光抽运信号会消失，这是什么原因？,3,、,“,光抽运,”,和,“,磁共振,”,这两个物理过程在本实验中有什么关联？,4,、光泵磁共振实验仪比核磁共振实验仪的灵敏度要高出,7-8,个数量级，请说明它为什么有那么高的灵敏度？,5,、扫场在本实验中起什么作用？,6,、如何判断垂直磁场的方向和大小？,二、实验目的,通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识；,掌握光磁共振的实验技术；,测定铷原子的 因子和测定地磁场。,精细结构的形成续,对于基态，,L=0,，,S=1/2,，得,J=1/2,，标记为 ；对于最低激发态，,L=1,，,S=1/2,，得,J=3/2,1/2,，标记为 ，如右图所示，形成两条谱线。,朗德因子的引入,电子轨道角动量 和自旋角动量 的合成角动量,电子总磁矩,两者关系为,其中,原子超精细结构的形成,由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。,核的自旋量子数表示为 ，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为：,核的自旋角动量表示为 ，得原子总角动量：,其中,F,用来表示原子总角动量量子数，,F=I+J,|I-J|,。,原子超精细结构的形成续,塞曼子能级的形成,原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。这些能级用磁量子数来表示，能级间距相同。,和 相互作用能表示如下：,能级间距为：,其中 为玻尔磁子。,圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应,将角动量为 的左旋圆偏振光照射到气态 原子 后，根据光跃迁选择定则，基态中 能级上的粒子数会越来越多，形成粒子数偏极化。,高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。,弛豫时间,粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）到平衡状态（玻尔兹曼分布）所需的时间。本实验中，在样品泡中加入少量分子磁矩较小的缓冲气体（如氮、氖等）避免铷原子与容器壁碰撞而使粒子失去偏极化。另外将温度保持在,50,到,60,摄氏度之间，尽量减小铷原子与容器壁的碰撞。,塞曼能级间磁共振,在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一频率为 的射频磁场，当满足,时发生磁共振，如此，粒子的偏极化程度降低，再次发生光抽运，最终形成光抽运与磁共振的动态平衡。,光探测,照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。一是产生光抽运效应；二可以通过测量透射光强得到磁共振信号。当各能级上的粒子数相同时，样品对偏振光吸收最强，透射光最弱；当粒子数偏极化强度最强时，透射光最强。这里通过透射光强的变化来得到磁共振信号，提高了测量灵敏度。,四、实验装置,五、实验内容,1.,仪器调节,用磁针确定地磁场方向，使主体光轴与地磁场水平方向平行,调节面板,1,）确定水平线圈、竖直线圈和扫场线圈与其换向开关掷向的对应关系；,2,）调节主体单元光学元件等高，调整透镜的位置以得到较好的平行光束,3,）按预热键，加温铷样品泡在 间，铷光谱灯在,间，按工作键，这时除射频线圈的各线圈电源都已接通，开启高频振荡器，发紫红色光。,调节,1/4,波片光轴与偏振光偏振方向夹角为,pi/4,2.,观察光抽运信号,调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分量；,加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反，在示波器上观察光抽运信号，得到如下图所示的扫场和光抽运信号的对照图：,信号波形,扫场方波,脉冲幅度,t,信号幅度,t,Fig.6,光抽运信号,测量 因子,1),加上方向同地磁场水平方向的三角波扫场以及频率为 的射频磁场，调节频率的大小观察磁共振信号，假设频率为 时观察到共振信号；接着将水平场反向，频率为 时得到共振信号，那么 便是水平磁场对应的共振频率，由此可以得出 因子。需要注意的是因铷原子有两种同位素，所以会出现两次共振信号，频率高的为 共振信号；频率低的为 共振信号。光磁共振信号如图所示。,3.,观察光磁共振信号,扫场,共振信号,共振信号,Fig.7,因子测量原理,3.,光磁共振信号图示,测量地磁场,测量方法同上，这次需要先让三者的方向相同，而后同时改变扫场和水平场的方向，最后地磁场分量对应的共振频率为 。,根据地磁场垂直磁场的大小和水平分量的大小即可得到地磁场的大小及方向。,3.,观察光磁共振信号续,附,:,一些物理量常数,亥姆霍兹线圈轴线中心处磁感应强度：,电子质量 ；质子质量,玻尔磁子,普朗克常数：,其中 为线圈匝数；为线圈有效半径；为直流电压；为线圈绕线电阻,思考题见实验提纲。,参考文献,1,禇圣麟，原子物理学，人民教育出版社，,19792,吴思诚，王祖铨，近代物理实验，北京大学出版社，,19953,仲明礼，张越，夏顺保，高立模，关于光泵磁共振实验中三角波扫场信号的讨论，物理实验，,2003,，,23,（,6,），,37,