光磁共振实验报告.docx

文档介绍：光磁共振实验报告一、实验目的 -磁共振-光检测的实验原理及实验方法;,分子能级的超精细结构; ,测定电磁场的水平分量。二、实验原理: 87 铷是一价金属元素,天然铷中含量大的同位素有两种:Rb,占% 和85Rb,%。它们的基态都是52S1/2。图B4-1Rb原子精细结构的形成在L—S耦合下,形成双重态:52P1/2和52P3/2,这两个状态的能量不相等,产生精细分裂。因此,从5P到5S的跃迁产生双线,分别称为D1和D2线,如图B4-1所示,它们的波长分别是和。通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ,与此相联系的核外电子的总磁矩?J 为?J??gJ 式中 gJ?1? J(J?1)?L(L?1)?S(S?1) 2J(J?1) e PJ2me 是著名的朗德因子,me是电子质量,e是电子电量。原子核也有自旋和磁矩,核自旋量子数用I表示。核角动量PI和核外电子的角动量PJ耦合成一个更大的角动量,用符号PF表示,其量子数用F表示,则??? PF?PJ?PI与此角动量相关的原子总磁矩为?F??gF e PF式中2me gF?gJ F(F?1)?J(J?1)?I(I?1) 2F(F?1) gF是对应于?F与PF关系的朗德因子。在有外静磁场B的情况下,总磁矩将与外场相互作用,使原子产生附加的能量E???F?B?gF eePF?B?gFMFB?gFMF?BB2me2me 其中?B? e ??10?24JT?1称为玻尔磁子,MF是PF在外场方向上分量的2me 量子数,共有2F+1个值。可以看到,原子在磁场中的附加能量E随MF变化,原来对MF简并的能级发生分裂,称为超精细结构,一个F能级分裂成2F+1个子能级,相邻的子能级的能量差?E?gF?BB 再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋I?3/2,85Rb的核自旋I?5/2,因此,两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例,介绍超精细分裂的情况,可以对照理解85Rb的分裂。图B4-2 87 原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2所示。由于实验中D2线被滤掉,所 Rb原子能级超精细分裂涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。 ,只让D1σ+光通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上,铷蒸气将对D1σ+光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是从常温对应的能量kBT来衡量,超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的,根据玻尔兹曼分布 N1 ?ekBTNtotal ?E1 由52S1/2分裂出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布;同样,由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。如果考虑到热运动造成的多普勒效应,铷光源发出的D1σ+光实际包含了连续频率的光,这些光使得D1线有一定的宽度,同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。处于磁场环境中的铷原子对D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则?L??1?F??1,0;?MF??1 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图,如图B4-3所示。图B4-387Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁可以看到,跃迁选择定则是?F??1,0;?MF??1,0 跃迁见图B4-3的右半部分。当光连续照着,跃迁5S?5P?5S?5P? ?这样的过程就会持续下去。这样,5S态中MF??2子能级上的原子数就会越积越多,而其余7个子能级上的原子数越来越少,相应地,对D1σ+光的吸收越来越弱,最后,差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上,其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光,这时光强测量值不再发生变化。通过以上的分析可以得出这样的结论:在没有D1σ+光照射时,5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子,而当D1σ+光持续照着时,较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上,出现了“粒子数反转”的现象。在“粒子数反转”后,如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场,并且调整射频频率ν,使之满足 h??gF?BB 这时将出现“射频受激辐射”,光吸收过程重又开始,光强测量值又降低。跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上,所以,用不了多久,5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时MF=+2子能级上的原子不再能久留,所以,光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。在加入了周期性的“扫场”磁场以后,总磁场为 Btotal=BDC+BS+Be// 其中BDC是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场,方向在水平方向, Be//是地球磁场的水平分量,这两部分在实验中不变。BS是周期性的“扫场”磁场,也是水平方向的。地球磁场的垂直分量