光磁共振实验 实验报告VIP免费

光泵磁共振蒲阳文161120097一、实验目的(1)掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。(2)测定铷同位素85Rb和87Rb的gF因子、地磁场垂直和水平分量。实验重点：实验装置中磁场的作用。实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量二、实验原理光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。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还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。1、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72.15%,87Rb占27.85%。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,・「IL—SI。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，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。已知核自旋1=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量气与原子总磁矩pj的关系为：M丿=-汕/(2me)(1)J(J+1)—L(L+1)+S(S+1)gJ=1+(2)2J(J+1)但铷原子的核自旋1工0。所以核自旋角动量气与电子总角动量气耦合成原子总角动量P有PF=PJ+PI，耦合后的总量子数是F=I+J,…，II—JI。87Rb的基态J=1/2、1=3/2,有F=2FFJI和F=1两个状态。85Rb的基态J=1/2,I=5/2，则有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pF之间的关系(见本实验附录)为：FF“F=-gpePF/(2me)F(F+1)+J(J+1)—I(I+1)3）E=—FBO=gB0=gp—mFB0h422gF=gJ2F（F+1）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子数mF标定。mp=F,F—1,…,（―F）,即分裂成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pF与磁场B0相互作用能为（诸圣麟，1979）：E=—YP由此可知外磁场为时，相邻塞曼子能级之间的能量差为：△E=gpJ（）可见在此磁场中与成正比，当=0时，各塞曼子能级简并为原来的超精细能级。对在弱磁场的情况下，这个系统存在三种可能的跃迁过程，即在超精细能级之间的a型跃迁，其跃迁频率30与成正比，在射频范围有30=1丫I;在两个不同次能级之间的B型跃迁，跃迁频率在微波范围；发生在基态与激发态之间的0型跃迁，其跃迁频率落在近红外范围。光泵磁共振是利用a、6两种辐射跃迁。2、光抽运效应由于光的电场部分的作用，一定频率的光可以激发原子间的跃迁。已知铷原子52PI/2—52S]/2跃迁时产生D]线，波长为794.8nm,52P3/2-52S1/2的跃迁产生D2线，波长为780nm。当用入射光为左旋圆偏振的D]光（即D]O+光）照射87Rb时，52S1/2态的原子会跃迁到52P1/2态（玻尔磁子）和匕旋磁比），则2m2m的有关塞曼子能级上。这个过程满足跃迁的选择定则：△L=±1；△F=0,±1；△F=0；F±1（对于左旋圆偏振光吸收的选择定则是△F=—1），即基态上量子数为F的原子，将吸FF收偏振光能量，跃迁到量子数为F=+1的激发态能级上去，原子被激发至高能级后，又会通F过自发辐射发射一定波长的电磁波，从而以几乎相等的几率落回到基态，这样在基态52S1/2中，F=+2子能级上的原子不能吸收偏振光跃迁到激发态，即其跃迁几率是零。由于落在基F态F=+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O+光子向上跃F迁，这样经过多次循环，基态F=+2子能级上的粒子数会大大增加，可形象地认为有大量粒F子被“抽运”到基态的F=+2的子能级上，形成了所谓的“光抽运”效应。F光抽运的目的就是要使各子能级上的粒子数产生不均匀分布，即“偏极化”。有了偏极化，就可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。它是指在基态中其它超精细能级上的原子数逐渐减少，继续下去就会妨碍激发过程的进行，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、弛豫过程基态子能级上的粒子数在热平衡状态时遵从玻尔兹曼分布，此时各子能级上粒子数可近似地认为是相等的，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出现差异，从而使系统处于非热平衡分布状...