光泵磁共振实验.doc

光泵磁共振一 . 实验目的（ 1）把握光抽运和光检测的原理和实验方式，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的明白得 2）测定铷同位素 85Rb 和 87Rb 的 gF 因子、地磁场垂直和水平分量二、实验原理光泵磁共振确实是用光来检测和发觉磁共振这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间， 而不限定原子或分子是处于基态仍是处于激发态， 由于光子能量是射频量子能量的 106~10 7 倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易患多一、铷原子基态和最低激发态的能级天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb 占 %， 87Rb 占 %由于电子轨道总角动量PL 与自旋总角动量 PS 的 LS 耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J 表示： J=L+S ，⋯， |L— S|铷的基态，轨道量子数L=0 ，自旋量子数 S=1/2，只有 J=1/2 一个态 52S1/2铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1 ，自旋量子数 S=1/2，那么有双重态 52P3/2 态 J=3/2 和 52P1/2 态 J=1/2已知核自旋 I=0 的原子的价电子 LS 耦合后，总角动量 PJ 与原子总磁矩μ J 的关系为：μ J=–gJePJ/（ 2me） （ 13-1）（）—L（L+1）+S（S+1）J J+1（ 13-2）g =1+ ───────────────J（J+1）2J但铷原子的核自旋I≠0。

因此核自旋角动量PI 与电子总角动量PJ 耦合成原子总角动量PF，有 PF=PJ+PI，耦合后的总量子数是F=I+J ，⋯， |I —J|87Rb 的基态 J=1/二、 I=3/2 ，有F=2 和 F=1 两个状态 85Rb 的基态 J=1/2，I=5/2 ，那么有 F=3 和 F=2 两个态 把 F 量子数表征的能级称为超精细结构能级原子总角动量PF 与总磁矩μF 之间的关系（见本实验附录）为：μFFF （2me）= –g eP /F（F+1 ）+J（J+1 ）—I（I+1 ）gF=g J ───────────────（ 13-3）2F（F+1 ）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼割裂，可用磁量子数 mFF标定 m =F ，F— 1，⋯，（— F），即割裂成2F+1 个塞曼子能级在磁场中铷原子基态和最低激发态的能级如图13-1所示原子总磁矩μ F 与磁场 B 0 彼此作用能为（诸圣麟，1979）：ee（ 13-4）E= —μ B = g ── PB = g── m B hF 0FF 0F2mF 02meeee别离令： μB = ── h（玻尔磁子）和 γ=—gF──（旋磁比） ，那么有：2m2meeE= —γ mhB =g mμ BF0FFB 0由此可知外磁场为B 时，相邻塞曼子能级之间的能量差为：0△ E=gFμBB0（ 13-5 ）可见在此磁场中△E 与 B0 成正比， 当 B0=0 时，各塞曼子能级简并为原先的超精细能级。

对在弱磁场 B0 的情形下，那个系统存在三种可能的跃迁进程，即在超精细能级之间的α型跃迁，其跃迁频率ω000 与 B 成正比，在射频范围有ω0=|γ |B ；在两个不同次能级之间的β型跃迁， 跃迁频率在微波范围； 发生在基态与激发态之间的δ型跃迁，其跃迁频率落在近红外范围光泵磁共振是利用α、δ两种辐射跃迁二、光抽运效应由于光的电场部份的作用，必然频率的光能够激发原子间的跃迁已知铷原子52P1/2→52S1/2 跃迁时产生 D 1线，波长为， 52P3/2 →52 S1/2 的跃迁产生 D2 线，波长为 780nm当用入射光为左旋圆偏振的 D 11 + 光）照射8721/2521/2光（即 D σRb时，5 S态的原子会跃迁到P态的有关塞曼子能级上那个进程知足跃迁的选择定那么：△L=± 1；△ F=0，± 1；△ F；± 1m =0（关于左旋圆偏振光吸收的选择定那么是△mmF 的原子， 将吸收F=— 1），即基态上量子数为偏振光能量， 跃迁到量子数为 mF=+1 的激发态能级上去， 原子被激发至高能级后， 又会通过自发辐射发射必然波长的电磁波， 从而以几乎相等的概率落回到基态， 如此在基态 52S1/2 中，mF=+2 子能级上的原子不能吸收偏振光跃迁到激发态，即其跃迁概率是零。

由于落在基态mF=+2 上的粒子不能向上跃迁，而落在基态其他子能级上的粒子继续吸收σ+光子向上跃迁，如此通过量次循环， 基态 mF=+2 子能级上的粒子数会大大增加，可形象地以为有大量粒子被“抽运”到基态的 m =+2 的子能级上，形成了所谓的“光抽运”效应F光抽运的目的确实是要使各子能级上的粒子数产生不均匀散布，即“偏极化” 有了偏极化，就能够够在子能级之间取得较强的磁共振信号 它是指在基态中其它超精细能级上的原子数慢慢减少， 继续下去就会妨碍激发进程的进行， 使对光的吸收慢慢停止， 最终是光的吸收达到饱和，这时透过样品的光变得最强3、弛豫进程基态子能级上的粒子数在热平稳状态时遵从玻尔兹曼散布，现在各子能级上粒子数可近似地以为是相等的， 子能级间的能量差也很小， 考虑抽运的作用， 各子能级上的粒子数会显现不同，从而使系统处于非热平稳散布状态转变成热平稳散布的进程失去偏极化的要紧缘故是由于铷原子与器壁碰撞，可采纳在样品泡中充进缓冲气体的方式减少这种碰撞， 以维持原子的高度偏极化 但缓冲气体分子不可能将子能级之间的跃迁全数抑制， 不能将粒子全数抽运到 m =+2 的子能级上 一般是光抽运造成塞曼子能级之间的F粒子差数比玻尔兹曼散布造成的粒子差数要大几个数量级。

D 1σ +光对 85Rb 的光抽运效应是将 85Rb 原子抽运到基态的mF=+3 的子能级上4、磁共振与光检测在弱磁场中 B0 中，铷原子相邻塞曼子能级的能量差已由（13-5）给出为了破坏光的吸收达到饱和，保证激发进程能继续进行，在垂直于恒定磁场B0的方向加一角频率为ω的射频场 B1，假设该射频场的频率对应α跃迁，有：hω =△E= gFμ BB0即：ω = g μ B / h（ 13-6 ）FB 0塞曼子能级之间将产生磁共振被抽运到m =+2 子能级上的大量粒子在射频场B作用F1下产生感应跃迁， 由 mF=+2跃迁到FFm =+1，进而跃迁到 m =0，⋯等基态中其它超精细能级上，这时δ吸收跃迁又能够继续进行了，透过样品的光通量又变小了同时，基态中处于非mF=+2子能级的原子又将被抽运到m =+2子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平稳，F现在基态非 mF=+2 子能级上的粒子数大于没有共振时的粒子数，从而对D1 光的吸收增大光检测技术确实是利用磁共振时伴随有D 1光强的转变， 通过测 D1 光强的转变来实现共振信号的观测由于巧妙地将一个低频射频光子（1~410MHz ）转换成了一个高频光频光子（108 MHz ），这就使信号功率提高了7~8 个数量级。

测量磁场 B0 时，可调剂射频场的频率，观看透过样品后的强度，当透过的光最弱时，射频场的频率正对应α跃迁频率，即可求出 B03.实验内容：1预备 ：在装置加电之前，先应进行主体单元光路的机械调整（见本说明书安装和调整部份）再借助指南针将光具座与地磁场水平分量平行搁置检查各联线是不是正确将“垂直场” 、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关然后接通电源线，按下电源开关约30 分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态2观测光抽运信号扫场方式选择“方波” ，适当调大扫场幅度再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方向， 设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反， 然后将指南针拿开 预置垂直场电流来抵消地磁场垂直分量 然后旋转偏振片的角度， 调剂扫场幅度及垂直场大小和方向 （综合调剂），使光抽运信号（如图 7 所示）幅度最大再认真调剂光路聚焦，使光抽运信号幅度最大3 观测光磁共振谱线测量 g 因子扫场方式选择“三角波” ，并使水平磁场方向（按动“水平”按钮可改变它）与地磁场水平分量和扫场方向相同 调剂射频信号发生器频率， 调剂扫场幅度适当减小， 可观看到共振信号，对应图波形，可读出频率V1 及对应的水平场电流 I。

再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反 仍用上述方式 （如下图），可取得 V2如此，水平磁场所对应的频率为 V= （V1 +V 2）/2，即排除地磁场水平分量及扫场直流分量的阻碍水平磁场 B 的数值可从水平场电流及水平亥姆霍兹线圈的参数来确信（亥姆霍兹线圈轴线。