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近代物理试验报告
指导教师: 得分:
试验时间:2023年05月19日,第12周,周三,第5-8节试验者:班级 材料0705 学号202367025 姓名 童凌炜同组者:班级 学号 姓名
试验地点: 综合楼407
试验条件:室内温度 ℃,相对湿度 %,室内气压
试验题目: 光泵磁共振
试验仪器:〔注明规格和型号〕
本试验装置由光泵磁共振试验装置的主体单元、电源和关心源、功率函数信号发生器及示波器等局部组成。如以以下图
光泵磁共振 2
试验目的:
观测铷的光抽运信号及光磁共振信号。
测量铷原子的郎德g因子。
测量地磁场
试验原理简述:
1,铷原子能级的超精细构造及赛曼分裂
铷原子基态和最低激发态的能级构造如图。铷是一价碱金属,其基态是52S
,
1/2
在L-S耦合下电子的总角动量量子数
J=3/2和1/2形成双重态:52P
和52P
1/2
,
3/2
这两个状态能量严峻不等,产生精细分裂。5P到5S的跃迁产生双线,分别为D1线与D2线,,。m
试验中87Rb基态的F=1和2;85Rb基态的F=。
假设铷原子处于磁场B中,依据量子理
0
论导出相邻赛曼子能级之间的能级差为
DE=g m B
F B 0
2,光抽运效应
w=gB
在热平衡状态下,各能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布,其分布规律由 0得到。能级差很小,难以观
测,卡斯特勒提出了光抽运方法,即用圆偏振光激发原子,使原子能级的粒子数分布产生重大变化。
光抽运效应是建立在光与原子相互作用中角动量守恒的根底上,光对原子的激发可看作是光波的电场局部作用。
试验时,我们用铷原子D1线的左旋偏振光来照耀铷原子,这时52S态中各相关能级上去,跃迁的选择定则是:
△L=±1;△F=0,±1;△m=+1
F
态的原子将吸取σ+光子,跃迁到52P
1/2
1/2
以87Rb为例,由于87Rb的52S
和52S
1/2
态的塞曼子能级的mF最大值均为+2,因而铷原子D1线的左旋圆偏
1/2
振光不能激发52S
、F=2、mF=+2能级上的原子向上跃迁,而52S
1/2
其余塞曼子能级上的原子则能吸取D1
1/2
σ+光跃迁到52P
的相应能级上,,如以以下图。〔b〕表示跃迁到52S
1/2
上的原子经过大约10-8秒后,通过自发
1/2
辐射以及无辐射跃迁两种过程,以等概率回到基态52S
能级上,这时的选择定则是:
1/2
光泵磁共振 3
△L=±1;△F=0,±1;△m=0,±1
F
这样经过屡次循环之后,基态mF=+2子能级上的粒子数就会大大增加,即基态其他能级上的粒子被抽运到基态mF=+2的子能级上,这就是光抽运效应。由光抽效应造成的原子在各能级间的非平衡分布称为偏极化。
间为10-2s数量级。
3,弛豫过程
光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时,将会通过弛豫过程恢复到热平衡分布状态。在光抽运的状况下,铷原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要缘由。通常在样品泡内充入氮、氦等作为缓冲气体。充入缓冲气体后,弛豫时
温度凹凸对铷原子系统的弛豫过程有很大影响。试验时把样品泡的温度要把握在40~50℃之间。
4,Zeeman子能级的磁共振和光探测
要实现原子在塞曼子能级中的共振跃迁,还必需在垂直于恒定磁场B的方向上施加一射频场B1。当射频
0
场的频率满足如下共振条件时,
hu=DE=g mB
F B 0
便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象。发生磁共振时,处于基态mF=+2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数,也就是说,发生磁共振时能级分布的偏极化程度降低了,从而必定会导致增大对D1σ+光吸取。
发生磁共振时,样品对D1σ+光吸取将增大,则透过样品泡的D1σ+光必定减弱。只要测量透射光强的变化便可得到磁共振信号,实现磁共振的光检测。
对磁共振信号进展光检测可大大提高检测的灵敏度。
光泵磁共振 4
试验步骤简述:1、 预备
通电,主单元检查,借助指南针将光具座与地磁场水平重量平行放置,检查联线。“垂直场”“水平场”“扫场幅度”调到最小,按下池温开光。通电,等30min.
在吸取池加温过程中,借助小指南针确定扫场线圈和水平线圈所产生的磁场方向。
2、 观看光抽运信号并测量弛豫时间
扫场方式选择“方波”,调整扫场的方向,使扫场方向与地磁水平重量方向相反;调整其幅度大小,在示波器上可观测到如图的抽运信号。
图〔b〕反映了原子内部的弛豫过程,信号幅度最大值Vs/ 2对应的时间τ可视为弛豫时间。3、 观看光磁共振信号
测量g因子
F
扫场方式选择“三角波”,,并使水平磁场方向、扫场方向与地磁场水平重量的方向一样。调整射频信号发生器频率,即可观看到共振信号,如图〔a〕所示。将光磁共振信号调到与扫场线圈电压的谷值对应出,登记相应频率,得到图〔b〕所示波形。同样将光磁共
振信号调到与扫场线圈电压的谷值对应处,
2 水
率应为v=(v+v)/2.
1 2
光泵磁共振 5
需要留意的是:每次固定水平场调整射频频率时,会消灭两次如以以下图的共振波形。它们分别对应
87Rb及85Rb的共振频率。
测量地磁极
与测量gF因子的方法类似。先使扫场,水平场与地磁场水平重量一样,测得v,如图。之后,同
3
时转变扫场及水平场方向的开光,使其与地磁场水平重量方向相反,测得v
4
如图。地磁水平重量
对应的频率为v=(v-v)/2地,磁的水平重量为
2 4
hn
B =
地// mg
B F
垂直磁场正好抵消了地磁场的垂直重量B ,从数字表指示的垂直电场流及垂直赫姆霍兹的参数,
地┸
可以确定垂直重量的数值。
B = B2
地 地//
B2
地^
测量共振线线宽
在观看到共振谱线后,转变射频频率,使共振信号平移△x,如以以下图。即通过信号平移所对应的示
Dn
波器的刻度,可得到单位刻度所对应的频率Dx。
依据共振谱线在示波器上占有的刻度数d就可以计算出谱线的线宽。
光泵磁共振
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原始数据、数据处理及误差计算:1,观看光抽运信号并测量弛豫时间依据试验中的观看结果可得:
信号幅极值Vs=*20mV每格=108mV有效峰宽为Vm=Vs*〔2〕-1/2=,弛豫时间τ=26ms
2,测量朗徳g因子
首先给出三个磁场的相关数据:
线圈匝数N
有效半径r/m
水平磁场 250
扫场 250
垂直磁场 100
测量中所得数据如下:
VRb85〔kHz〕
VRb87〔kHz〕
1,磁场方向均与地磁同向 956
632
2,水平场与地磁反向
依据共振条件,可知状态1和2分别满足如下的等式:
hv =gm (B
1 B h
B +B
w Eh
),hv
2
=gm(B
B h
B -B )
w Eh
其中Bh、Bw和BEh分别表示水平磁场强度、扫场强度和地磁水平重量强度将以上二式联立,可以得到:
m
h(v
v)
h(v
1
+v)=2g
2
B,可见这里面只有朗德g因子是未知量,将等式变形为g=
B h
1 2
2m B
B h
h=-34J,.sμB=-24J/T
,通过计算可知
16p NI
水平磁场的磁感应强度为B=
53/2 r
´10-7=*10-5T
代入相关数值,可得由Rb85的数据计算得到的g1==
则通过这一步骤测得的朗德g因子的平均值为g=
3,测量地磁场强度
测量中所得数据如下:
VRb85〔kHz〕
VRb87〔kHz〕
磁场方向均与地磁同向
1253
833
水平场与扫场均与地磁相反
559
同样,依据共振关系,在这一试验过程中,先后也有这样两个关系式成立:
hv3=gmB(Bh+Bw+BEh),hv4=gmB(Bh+Bw-BEh)
7
光泵磁共振
两式对减,可以得到这样一个等式:
h(v
3
-v)=2gm
4
B
B Eh
,由于朗德g因子已经由上一个步骤中测得,于是等式中仅剩下的未知量就是待
测的地磁水平重量强度B
=h(v3
v)
4
Eh 2m g
B
先代入由Rb85测得的数据,计算得到BEh1=*10-5T代入由Rb87测得的数据,计算得到BEh2=*10-5T
将以上两结果取平均值,可以得到地磁水平重量的磁感应强度为B=*10-5T
Eh
而地磁垂直重量由于始终被垂直线圈所抵消,所以只需要计算出垂直线圈的磁感应强度即可
16p NI
公式照旧不变,地磁垂直重量的磁感应强度为B
Ev
=
53/2 r
´10-7=*10-5T
B2 +B2
Eh Ev
综上,可以得到,地磁场的磁感应强度为B =
E
=*10-5T
4,测量谱线的共振线宽
依据试验中的测量结果可知,Δx=,d=,Δv31=1253kHz-956kHz=297kHz可以通过比例关系计算出共振线宽Δ=d*Δv31/Δx=297*=
思考题,试验感想,疑问与建议:
1,线偏振光能否作为抽运光?请说明之
线偏振光是不行以用作抽运光的,由于其不具有旋转的特性;光抽运效应是建立在光与原子相互作用中角动量守恒的根底上的,而线偏振光的角动量为零,不能与原子发生作用,也就不能对原子所处的能级状态发生影响,因而不行以用作抽运光。
2,如何区分光抽运信号和磁共振信号?
这两种信号从图形上看均是向下凹陷的循环的锐利峰;因而直接通过形貌特征很难判别;而由于试验的铷蒸汽中同时有Rb85和Rb87两种同位素参与共振过程,因而可以通过共振信号曲线能够劈裂出双峰的特征来分别。具体来说就是通过调整射频场的频率,假设看到单峰图形能够劈开变为双峰图形的,是磁共振信号,否则看到的是光抽运信号。
3,如何判别磁共振信号是87Rb还是85Rb产生的?
试验中通过操作觉察,要从一个单独的磁共振信号中推断这是85Rb还是87Rb的信号时很困难的,但是当在一个连续变化的频率范围内消灭两个或者更多的共振信号时,便可以通过Rb的两个同位素的共振频率的比例关系来推断;具体比例关系如下:
vF87/Bh=*170kHz/TvF85/Bh=*170kHz/T
4,试验体会与建议
本试验中我最大的收获就是学习到了利用光抽运效应来放大Rb塞总分值裂构造的物理思想。这种方法格外奇异,通过光子的作用将原本分散在各个能级上的粒子都集中到某一个特定的能级上。将原本不易观看的物理现象转化为易于观看的表象,值得我们学习并且应用到其他物理问题中。
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光泵磁共振
试验过程中觉察示波器的扫描频率和射扫场的频率不匹配,并且通过调整示波器的参数也较难到达匹配,这就造成了图形不稳定,格外不易于正确读取图形上的信息。
另外,操作中觉察信号函数发生器的低端工作性能不稳定,即当输出频率到达很低的范围时,输出的信号就已经难以维持所设定的方波或者三角波,反映到示波器上的状况就是图像无规章跳动,影响了试验数据的读取。
建议改进仪器以避开这两点问题干扰试验结果的准确性。原始记录及图表粘贴处:〔见附页〕