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光泵磁共振赵海燕实验时间:年月日下午点半至晚上点2014112018摘要光泵磁共振的基本思想是卡斯特勒在年代提出的，它是利用光抽运A.Kastlar50Optical效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振这个磁共振信号pumping是非常弱的，而本实验应用了光泵的光检测的方法，使磁共振分辨率高可达的优点得10-UT到了保持，同时还能将探测灵敏度至少提高个左右数量级此方法不仅可以用于基础性研10究，对于其它实用测量技术方面也有广泛的应用实验中是以天然锄为样品，研究碱金属锄原子基态光磁双共振本实验通过改变扫场和水平场的正反方向，Rb再用数学计算的方法分别求得实验中水平总磁场和水平场对应的电流大小，垂直场的电流大小可以直接从仪器上读出，根据电流和磁场的关系就可以求得实验中水平总磁场和所加水平场、垂直场的大小，两个元素对应的水平总磁场分别是B和=
0.9398GSB2水平场和垂直场分别是和并且求得地磁场的为，与地=
1.3985GS
0.178GS
0.393GS,
0.431G,球的夹角约为通过总磁场、和朗德因子的关系，求出了
65.6°Bl B287Rb□□cos□1□sin,当满足共振条件■^―=^E—9FNFBO10mFLn时，塞曼子能级之间将发生磁共振抽运到基态□□二十子能级上的大量粒子，由于射频场2□1的作用产生感应跃迁，即由□□跃迁到=+2□□当然也有=+1□□二+跃迁到1□□等等=0同时由于光抽运的存在，处于基态□□子能级上的粒子又将被抽运到W+2□□二+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2□□子能级上的粒子数比未共振时多，因此对□W+2D1+光的吸收增大射到样品泡上线的光D1□+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D1□+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转换为一个光频光子1-10MHZ108，使信号功率提高了个数量级MHz7-8实验.实验准备1加热样品泡和灯°通常样品把的温度应稳定在而灯的温度控制在左Rb40—60℃,Rb90c右预热时间大约需要半小时，待“灯温”、“池温”的指示灯亮后，就可以开始做实验.2观察光抽运信号用扫场的垂直信号抵消地磁场的垂直分量，让水平信号与地磁场的方向相反，这样可以使得加载锄原子上面的磁场出现零点，随着加入方波信号周期性的变化，这样就可以反复出现光抽B运现象，再通过光电池将光信号转化为电信号将信号输送至示波器，我们就可以观测到光抽运信号、.观察光泵磁共振信号
543、打开信号发生器及频率计，观测射频频率为时的共振信号，在的电流55650Hz0—8A范围内调节观察共振信号，特别注意在三角波谷和波峰处的共振信号，分析并解释这些现象，然后对水平场和扫场信号与地磁场水平方向的不同组合情况下测量四个共振信号所对应的水平场电流值，根据这些数值就可以算出枷原子的、56g、
570、和地磁场
58、计算地磁场59实验结果分析与讨论实验中观察到的光抽运信号如图所示，实验中要观察到光抽运信号可以通过两个依据判断1出现的时刻是方波反向的位置a调节垂直磁场电流和扫场电流的大小，光抽运信号会实时随之改变b图光抽运信号的观察1保持垂直场电流的大小不变，加水平磁场于是实验中的所有磁场，在垂直方向上，包括垂直场0垂和地磁场的垂直分量0地垂;在水平方向上，包括水平磁场水、地磁场的水平分量0地水、扫场的交流部分扫和扫场的直流部分扫其中垂直场所加的反向与地磁场的垂直分量反向刚好相反，用于抵消地磁场的垂直分量;O射频场用于产生磁共振的磁场即在水平方向上有如下关系式=豆扫+扫水地水B8+3+311加上水平场以后，调节水平场以后，要随时开关射频场观察信号的有无来判断是否是磁共振信号在调节水平场的过程中，会相继看到两个磁共振信号根据式取每个周期出现两次磁11,共振信号且信号强度和形状大小完全一样的时候，可以抵消0扫的影响，为了抵消其他磁场的影响，采取将扫场和水平场正反取平均的方法，即可求得所求的地磁场和朗德因子，于是式变成g11=后扫+水地水B B+B12用上述方法读取的水平场电流的示数如表所示1表改变扫场和水平场的方向的水平场电流1单位A扫场水平场垂直场12++
0.
1110.209+—
0.
2900.
3850.067——
0.
1870.287—+
0.
2130.311年=耳扫+水地水81+32与扫-水地㈤-B=B2+87K13=-月扫-黑地水⑹-B3+
8、=-月扫+水地水3B84+B将式的就可以得到13a-b-c+d,水+与水水4B=，1K2+B3+B414通过电流与磁场强度的关系167r N°B=-------/x10-31552r将表格扫场和水平场的正负代入上述式可得到如下方程组12,将表格数据代入式和式1416167r Bi=N
2162500.111+
0.290+
0.187+
0.2133-F52兀IO-GS
0.2395「-x IO-3=r
520.9398GS167r N167r
2500.209+
0.385+
0.287+
0.311B2=-3-x IO-3x10-3GS
0.239552r52=
1.3985GS将与的计算结果代入下列公式Bi B2hv16可得hv
6.626x10—34x650x103SFI=--=-------------------------------------------------------------=
0.494NBB
9.2741x IO-24x
0.9398x10-4hv
6.626x10~34x650x1039F2=n==
0.332NBB
9.2741x10-24x
1.3985x IO-4理论值可通过式和式算得35八一1313O-13352X3+2X2-2X27T X7T—0X1+7T X3FI理论=987Rb=1N，Zu2x2x3；―1—32x2X2八一1313Q-13572X2-OX1+2X2义3X4+2X222理论0E2=985Rb=n~~1~~32X2X22x3x4实验值与理论值得误差分别是
0.5-
0.494x100%=—————x100%
1.2%理论
0.333-
0.332x100%x——————x100%a
0.3%U■J J J理论g将式的就可以得到13a+b+c+d,水—水地水=水水4B B1-B2B3+B417根据电流与磁场强度的关系16TTN.水平B=F♦/xlF318,52r327r N,垂直・・B=F77/X10-3I52r16TI N167r
2500.209-
0.385-
0.287+
0.311Q QB水平=-----------Ix10-3==…厂-------------------------------------------X10-3GS水「r|r
0.2395=
0.178GS16TT N327r100Q———x
0.067x10-3GS=
0.393GS垂直=八B10=-3-
0.15301r蹂平+经直=B=JJ*+
0.3932=
0.431GS垂直B
0.393------0=arctan=arctan T——=
65.6°水平B
0.178结论本实验通过改变扫场和水平场的正反方向，再用数学计算的方法分别求得实验中水平总磁场和水平场对应的电流大小，垂直场的电流大小可以直接从仪器上读出，根据电流和磁场的关系就可以求得实验中水平总磁场和所加水平场、垂直场的大小，两个元素对应的水平总磁场分别是和=
0.9398GSB2水平场和垂直场分别是=
1.3985GS,B水平和=
0.178GSB垂直通过总磁场、和朗德因子的关系，求出了两个元素的朗德因子的值分别为=
0.393GSo BlB2g001和=
0.494002与标准值=
0.332,0理论0187Rb12和0理论02085Rb3相比，误差分别是01和=
1.2%02与理论值吻合得很好
0.3%,参考文献熊俊.近代物理实验,北京师范大学出版社北京年月第一次印刷
[1].2007885Rb的朗德因子的值分别为和误差分别是和与理论值吻合得很好g
0.
4940.332,
1.2%
0.3%,关键词光泵；磁共振；塞曼分裂；光抽运；地磁场引言物理学中研究物质内部结构，最初是利用光谱学的方法，推动了原子和分子物理学的进展如果要研究原子、分子等微观粒子内部更精细的结构和变化，光谱学的方法受到仪器分辨率和谱线线宽的限制在此情况下发展的波谱学方法利用物质的微波或射频共振研究原子的精细、超精细结构以及因磁场存在而分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学方法有更高的分辨率但是，热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，加以磁偶极跃迁几率也较小，因此核磁共振波谱方法也有如何提高信息强度的问题对于固态和液态物质的波谱学，如核磁共振NMR和电子顺磁共振由于样品浓度大，再配合高灵敏度的电子探测技术，能够得到足够强的共EPR,振信号但对气态的自由原子，样品的浓度降低了几个数量级，就得另外想新办法来提高共振信号强度等人在世纪年代提出了光抽运又称光泵技术，并A.Kastler2050optical pumping,在年荣获诺贝尔奖光抽运是用圆偏振光束激发气态原子的方法以打破原子在所研究的能1966级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了共振强度这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振在探测磁共振方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收由于光量子的能量比射频量子高七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高使用光抽运一一磁共振一一光探测技术对许多原子、离子和分子进行的大量研究，增进了我们对微观粒子结构的了解，推动了结构理论方面的研究此外，光抽运技术在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要的应用原理、枷原子基态及最低激发态的能级1Rb实验研究的对象是的气态自由原子是碱金属原子，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电Rb Rb子，价电子处于第壳层，主量子为主量子数为的电子，其轨道量子数5n=5n L=0,1,2,…,n-1基态的最低激发态的电子还具有自旋，电子自旋量子数由于电子的自旋与L=0,L=1s=1/2轨道运动的相互作用即耦合而发生能级分裂，称为精细结构轨道角动量L-S□与自旋角动量□P P的合成总角动量□P□□□□+原子能级的精细结构用总角动量量子数来标记，O JJ=L+S,L+S--S|I原子的基态，和因此□Rb L=0S=1/2,R基态只有标记为J=1/2,52;其最低激发态是52□1/2和52□3/2在第一激发能级与基态之间产生的跃迁是锄原子主线系的第一条谱线，谱线是双线o5P5S52□1/2到52□1/2；的跃迁产生的谱线是线，波长是D1794nm523/2到52□1/2的跃迁产生的谱线是线，波长是D2780nm在核自旋时，原子的价电子耦合后总角动量1=0L-S□□与原子的总磁矩□□的关系为访=一/《-耳2」J2m，八//+1-LL+1+SS+1见…-------------WTI------------3时，对IW087Rb；对,1=3/285Rb二总角动量,15/2F=I+J,,|IT|87Rb；基态有两个值及F F=2F=l85Rb基态有两个值及由量子数表征的能级称为超精细能级原子总角动量F F=3F=2o F0回与总磁矩0回之间的关系为而*耳4=_g9f=9]2FF+15在磁场中原子的超精细能级结构产生塞曼分裂，磁量子数m□二干，及分裂成个能量间隔基本相等的塞曼子能级在弱磁场条件下，通过解原F,…,2F+1Rb子定态薛定谓方程可得能量本证值为E=+—[FP+1-//+1-7/+1]+gjm iB6FtB乙由上式可得基态小的两个超精细能级之间的能量差为52slah△£+-+7相邻塞曼子能级之间的能极差为Am=±lF△七尸771=9FNBBO
8、圆偏振光对原子的激发与光抽运效应2Rb、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刻引起能量3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时，量子力学给出的跃△迁定则为本==±1,0,±1,、□
4、□
5、角动量守恒6=+
1、
7、
887、9Rb、的
10、
115、
122、
13、□
14、151/
2、态及
16、
175、
182、
19、□
20、211/
2、态的磁量子数
22、□23L、24最大值都是当入射光是的+2,D1□、25+、26光时由于只能产生A、27□、28□、29的跃迁，基态=+
1、30□、31□、32二+的子能级的粒子不能跃迁当原子经历无辐射跃迁过程从
2、
335、
342、
35、36□、371/
2、38回到、
395、
402、
41、42□、431/
2、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
44、45□、46□、二+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
472、48□、49□二+的子能级上，这就是光抽运效应各子能级上粒子数的这种远远偏离玻尔兹曼、
250、51分布的不均匀分布称为“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振实验、驰豫过程53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N（（一为）=%exp9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（）（）锄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21锄原子之间的碰撞，导致自旋•自旋交换弛豫，失去偏极化（）珈原子与缓冲气体之间的碰撞，缓冲气体的分子磁矩很小（如氮气），碰撞对锄原3子磁能态扰动极小，对原子的偏极化基本没有影响锄原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因在样品中充进适量缓冲气体可大大减少这种碰撞，使原子保持高度偏极化另外，温度升高时，锄原子密度升高，与器壁及原子之间的碰撞都增加，使原子偏极化减小；温度过低时，原子数太少，信号幅度很小，故存在一个最佳温度,约为40-60℃.塞曼子能级间的磁共振与光探测垂直于4□0的方向所加一圆频率为□1的射频场。
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