文档介绍：光磁共振实验报告篇一:光磁共振实验报告一、实验目的1・掌握光抽运■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;。二、实验原理:御原子基态和最低激发态的能级87锄(Z=37)是一价金属元素,天然锄中含量大的同位素有两种:Rb,%和85Rb,占72・15%o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・l所示,-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(B4-1)式中gj?l?J(J?1)?L(L?1)?S(S?1)2J(J?1)PJ2me(B4-2)是著名的朗德因子,me是电子质量,e是电子电量。1=.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999・・・PF?PJ?PI(B4-3)与此角动量相关的原子总磁矩为?F??gFePF (B4-4)式中2megF?gJF(F?1)?J(J?1)?I(I?1)(B4-5)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?gFeePF?B?gFMFB?gFMF?BB(B4-6)2me2me其中?B???10?24JT?l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(B4-7)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1?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。光磁共振跃迁实验中已对锄光源进行了滤光和变换,只让D"+光(左旋圆偏振光)通过并照射到产生超精细分裂的御原子蒸气上,御蒸气将对DW+光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是(1)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?ekBT(B4-8)Ntotal?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。(2)如果考虑到热运动造成的多普勒效应,御光源发出的D1q+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,同时也为锄蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。处于磁场环境中的御原子对D1&+光的吸收遵守如下的选择定则?L??1 ?F??1,O; ?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D1&+光的吸收和退激跃迁可以看到,跃迁选择定则是?F??1,O; ?MF??l,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D1g+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D"+光照射时,5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子,而当D1g+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(偏极化)。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v,使之满足h??gF?BB(B4-9)这时将出现“射频受激辐射3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//(B4-10)其中BDC是一个由通有稳定的直流电流