銣原子的光泵磁共振實驗報告摘要：本實驗利用光泵磁共振技術實現了對Rb原子能級結構的探測。用光探測的方法在示波器上觀察并記錄核磁共振時光抽運信號，從而計算出了和的朗德g因子，并對地磁場進行了測量。關鍵詞：光泵磁共振Rb原子光探測引言光泵，也成光抽運，是借助于光輻射獲得原子基態超精細結構能級或塞曼能級間粒子數的非熱平衡分布的實驗方法。光泵次共振技術是由法國物理學家卡斯特勒在1950年首創的。它的基本思想是利用光的抽運效應造成原子基態塞曼能級上粒子布居的偏極化，即偏離熱平衡時所遵循的波爾茲曼分布。然后利用磁共振效應對這種偏極化布居進行擾動，使光的抽運速率變化。通過對抽運速率變化的探測來研究原子的能級結構。光泵磁共振技術巧妙地利用了光探測的高靈敏度和磁共振的高分辨率，從而克服了磁共振信號弱的缺點，把探測靈敏度提高了七八個數量級。由于光磁共振在基礎物理研究、量子頻標技術和弱磁場測定等方面都有著重要的應用價值，因此卡斯特勒獲得了1966年的諾貝爾獎。實驗原理Rb原子基態及最低激發態能級Rb是堿金屬原子，其基態為。離5s能級最近的激發態是5p，此激發態是雙重態：和。電子由5p躍遷到5s所產生的光輻射是Rb原子主線系的第一條線，為雙線，其強度在Rb燈光譜中特別高，其中到躍遷產生的譜線稱為D1線，波長是794.8nm，而到躍遷產生的譜線稱為D1線，波長為780.nm。在核自旋I=0時，原子的價電子經L-S耦合后總角動量與原子總磁矩的關系為(1)但當I0時，原子總角動量還要考慮核的貢獻。設核自旋角動量為，核磁矩為，和耦合成，于是有，耦合后總量子數。由于的，而的，因此，的基態；的基態。由量子數F標定的能級稱為原子的超精細結構能級。原子角動量與總磁矩之間的關系為(2)在磁場中原子的超精細結構能級產生塞曼分裂，當磁場較弱時為反常塞曼分裂，磁量子數，所以會產生2F+1個能級間距基本相等的塞曼子能級。如圖1所示。圖SEQ圖表\*ARABIC1銣原子能級圖圓偏振光對Rb原子的激發與光抽運效應當電子在原子能級之間發生躍遷時，需滿足一定的條件，即原子和光子的總能量和總動量要守恒。能量守恒要求光子能量與躍遷能級間的能量變化相等，而動量守恒就要復雜得多，因為動量是矢量，在考慮動量守恒時通常還需要考慮光的偏振狀態。左旋偏振光的自旋角動量為，方向指向光的傳播方向；右旋偏振光的自旋角動量為-，方向與光的傳播方向相反。所以電子在吸收左旋偏振光后，量子力學給出的躍遷選擇定則為圖SEQ圖表\*ARABIC2基態粒子吸收光子躍遷到激發態的過程及激發態粒子通過自發輻射回到基態各能級的過程87Rb的52Sl/2態及52Pl/2態的磁量子數mF最大值都是+2，當入射光是(的角動量是+h)時，由于只能產生的躍遷，基態子能級的粒子不能躍遷，即其躍遷幾率是零。由于的激發而躍遷到激發態52Pl/2的粒子可以通過自發輻射激回到基態當原子經歷無輻射躍遷過程從52Pl/2回到52Sl/2時，則粒子返回基態各子能級的幾率相等，這樣經過若干循環之后,基態子能級上的粒子數就會大大增加,即大量粒子被“抽運”到基態的的子能級上。這就是光抽運效應。各子能級上粒子數的這種不均勻分布叫做“偏極化”,光抽運的目的就是要造成偏極化，有了偏極化就可以在子能級之間得到較強的磁共振信號。光有同樣的作用,它將大量的粒子拙運到的子能級上。圖SEQ圖表\*ARABIC2基態粒子吸收光子躍遷到激發態的過程及激發態粒子通過自發輻射回到基態各能級的過程與對光抽運有相反的作用。因此,當入射光為線偏振光(等量與的混合)時，銣原子對光有強烈的吸收，但無光抽運效應；當入射光為橢圓偏振光(不等量的與的混合)時，光抽運效應較困偏振光小；當入射光為光(光的電場強度矢量與總磁場的方向平行)時，銣原子對光有強的吸收,但無光抽運效應。弛豫過程當光抽運使個別子能級上的粒子數大大增加時，系統處于非熱平衡狀態。系統由非熱平衡分布狀態趨向于熱平衡分布狀態的過程叫弛豫過程。Rb原子系統中Rb原子與器壁碰撞是失去偏極化的主要原因，所以要充入適當的緩沖氣體分子，控制合適的溫度。塞曼子能級之間的磁共振在恒定磁場B0下，相鄰塞曼分裂能級間隔為當圓頻率為的射頻場，并滿足共振條件（3）使相鄰磁能級之間發生躍遷，改變磁能級的粒子布居圖SEQ圖表\*ARABIC3磁共振過程塞曼子能級粒子數的變化當發生磁共振時，對D1光的吸收大大增加。光探測發生磁共振時，樣品對D1線的光吸收強度發生改變，因此測量其透過樣品的光強變化，即可得到相關的磁共振信號，從而實現了對磁共振的光探測。實驗儀器DH807光磁共振實驗裝置輔助源、DH807型光磁共振實驗裝置電源、GOS-60150MHZ示波器、Rb原子核磁共振裝置實驗內容實驗方法本實驗首先利用光抽運的辦法實現粒子分布的偏極化，然后加上水平掃描磁場以破壞粒子分布的偏極化從而觀測到光抽運信號。在加一不變射頻場，用三角波進行掃場，就會在示波器上觀察到光抽運信號的變化從而觀測到磁共振的現象。此外，為了消除地磁場垂直分量的影響，放置一產生垂直磁場的亥姆霍茲線圈來抵消地磁場水平分量。實驗條件恒溫、Rb原子核磁共振裝置處于黑暗之中表1亥姆霍茲參數表水平場掃場垂直場匝數250250100有效半徑0.23930.23600.1530電阻24.1423.7124.68溫度系數0.0980.100.096實驗內容=1\*GB2⑴消除地磁場垂直分量對信號的影響；=2\*GB2⑵觀察磁共振信號=3\*GB2⑶測量地磁場的大小數據處理及結果分析觀察光抽運信號由于光抽運進行得非常快，示波器上顯示的信號已經是被抽運的粒子數達到飽和的狀態了。所以要觀察到光抽運信號，就要對光抽運飽和進行破壞。實驗中將掃場線圈的輸出方式設為方波。這樣磁場在變化時經歷“0”的那一點就可以實現光抽運的破壞。從而觀察到光抽運信號。從圖上可以看出在磁場方向改變時，即方波反向時，光抽運信號突然從最高點降為0，然后突然上升，這正是塞曼子能級發生的簡并及再分裂。觀察示波器上光抽運信號，調整垂直磁場的大小，當光抽運信號最大時，可以認為垂直方向的亥姆霍茲線圈的磁場抵消了地磁場。所以可以讀出地磁場的垂直分量為。觀察方法：=1\*GB3①水平掃場與地磁場水平分量反向，不加水平外磁場。=2\*GB3②水平掃場與地磁場水平分量同向，外加反向水平磁場。實驗中觀察到了如下的圖形圖SEQ圖表\*ARABIC4掃描方式為方波時不同水平磁場下的光抽運信號2，觀察核磁共振信號本實驗中，保持射頻場的頻率不變，改變穩恒磁場的大小得到共振信號。首先給樣品泡加上射頻場B，掃描信號選擇三角波輸出。現象：改變水平磁場的大小，在把水平磁場從0逐漸調大時，會在某一時刻觀察到一系列相同的磁共振信號，記錄此時的水平磁場大小。繼續調大，磁共振信號“分裂”成更多，會出現磁共振信號大小不等的情況，但仍是周期性的，然后又“合成”形成一系列較少的相同磁共振信號，再記錄此時水平磁場的大小。然后磁共振信號消失。繼續調大水平磁場，會出現與之前基本一樣的情況，同樣要記錄兩次磁共振時的水平磁場分量。再調大后，則再無磁共振信號。現象解釋：由于掃描方式為三角波，當掃描到波峰或波谷時當然會出現一系列相同的磁共振喜好，根據三角波的性質，在不是波峰或波谷的時候，信號時之間的間隔不同，但仍是周期性的。至于會出現兩次共振信號，是因為Rb原子有兩種同位素，根據公式（3），的更大，應該先發生磁共振。數據處理方法：由于水平方向的磁場有射頻場，地磁場水平分量，外加水平磁場，以及掃描磁場和，通過改變掃場和水平場的方向來消除掃描磁場與地磁場水平分量。由于實驗中測得的數值單位為A，所以我用進行轉換。表2改變掃場和水平場方向時水平方向各磁場的關系掃場水平場較小水平磁場較大水平磁場正正①②正反③④反反⑤⑥反正⑦⑧由表中可以看出，利用①+②-③-④和⑦+⑧-⑤-⑥可以求出B0與外加水平磁場（測量值）的關系；利用①+②+⑤+⑥和③+④+⑦+⑧可以求出與外加水平磁場（測量值）的關系。即：（4）（5）表3發生磁共振時外加水平磁場的值掃場水平場水平磁場水平磁場水平磁場水平磁場單位：A單位：高斯單位A單位：高斯單位：A單位：高斯單位：A單位：高斯正正0.083=0.3900.131=0.6150.180=0.8450.229=1.075正反0.257=1.2060.305=1.4320.353=1.6570.403=1.892反反0.167=0.7840.215=1.0090.265=1.2440.314=1.474反正0.179=0.8400.227=1.0660.277=1.3000.325=1.526朗德g因子：利用公式（4）及公式（5）計算表4朗德g因子的測量值與理論值的比較測量值理論值誤差12平均值1.2%0.5100.5020.50612平均值1.4%0.3400.3350.338地磁場水平分量：利用公式（5）計算表SEQ圖表\*ARABIC5水平地磁場的測量值平均值（高斯）1（高斯）2（高斯）1（高斯）2（高斯）0.1900.1970.1830.19950.181結合前面測到的地磁場垂直分量，即0.182高斯，可得地磁場的大小為0.263高斯。誤差分析實驗儀器本身的誤差，使得讀數不準確；信號的不穩定影響到觀測的準確性