光磁共振实验原理

光磁共振实验原理实验目的1. 掌握光抽运一磁共振的原理和实验方法。2. 研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。3. 测定帥同位素S7Rb和S5Rb的gF因子。4. 测定地磁场。二. 实验原理光抽运或称光泵技术巧妙地将光抽运，磁共振和光探测技术综合起来，用以研究汽态原子的精 细和超精细结构。克服了用普通的方法对气态样品观测时，共振信号非常微弱的困难。用这个方法 可以使磁共振分辨率提高到10-7 o实验是以天然37号元素钿（sRb和Rb）为样品，核外电子状 态为ls22s22p53s23ps3d104s24p65sI,研究碱金属物I原子的基态50磁共振。加外磁场使原子能级分裂，光照使原子从基态跃迁激发态，特别是从5%心态向亍Pw态跃迁， 跃迁过程吸收光子因而检测到的光信号微弱，当偏极化饱和时跃迁吸收停止，检测到的光信号又增 强到光源的光强。1. 钿（Rb）原子能级的超精细结构和塞曼分裂钿的两种同位数s7Rb和s5Rb的核自旋量子数I分别是3/2和5/2。原子能级的超精细结构是原子的核磁矩和电子磁矩的耦合作用而形成的。当原子处于弱磁场B 中时，原子的总磁矩和外磁场发生作用，造成能级分裂形成等间距的塞曼子能级，其能量为(Pb=9.274 X 1024Joule/特斯拉，真空磁导率po=4nX 107 Second*Volt/ (Ampere*Meter)：E =“ =“ = F,F_1,-FF = I + JJ + J-1,.I-J;J = L+S,L+S-1,.LSJ(J + 1)-ZXL + 1) + 5(S + 1)2J(J + 1)2F(F + 1)(2)其中F为原子的总角动量量子数，S为外层电子自旋角动量量子数，L为外层电子轨道角动量量子 数，J为核外外层电子轨道角动量L与电子自旋角动量S耦合L+S的量子数，原子感受到的外磁场 E可以分解为水平磁场B,和垂直磁场E丄，水平磁场B，包括地磁场Ee、水平磁场Eh、水平扫描磁场 Bex垂直磁场Bv,即Bt=E v+Ee 丄、B，/=Eh+E 二+Ee ,7,如杲选择垂直场电流方向和电流人小，使外加垂直磁场正好抵消地磁场垂直分量，即一Ev+Ee丄=0, 则帥原子感受到的外磁场只有水平分量B,=Bh+B:+BE,由于磁场存在形成的相邻塞曼能级能量差为 （最小可取厶niF=l ）：zlE 二1叱汕=Anir g”“/|B：+EE“| （水平场电流较大时）hvn= g/yte（Bh+B：；+BE）,后反=&尸“（Bh+B5+Be/） |Bh|B=+BE.7| （大水平场）Av-二筋“吐，v_=（w-v反）/2, gp = 卑,|Bh|E：+E制（小水平场）再根据水平场的电流计算出水平场的强度Bh =学-xlO-7（7） = 8.99176x10”（T）（6）rhrh于是g” = / 讐:反）=0.0397296从少同:反）1 ,闵很+E胡（人水平场）（7a）N J hg,= （単-喰）=0.0397296 皿厂反）心,|Bh|B=+BE,.| （小水平场）（7b）2 叭N hI h其中频率的单位是Hz,电流的单位是A（安培）。当水平场与地磁水平分量（和扫描场）反向时，磁针方向仍指向地磁场方向时，是“小水平场”,否则是“人水平场”。注意：因为水平场线圈两组是并联的，由仪器读出的水平场电流是两组线圈中流入的电流和，所 以水平场线圈的值应取读数值的1/2。4. 用增量法计算朗德因子。设置水平场，水平地磁场，扫场三场同向(EbT,BEh)o当扫场电流固定，垂直场正好抵消地磁垂直分量时，原子感受到的磁场仅有(Be+Bc+Be-.),其中只有水平场随电流调整而变化，即有4 B= 4 (Bh+B3+BE )= 4 Eh、设共振频率为V,则有AAv = gdZBh，=乜丄=V如(D = 0.0835911x10-(D“a 32%入(心-厶)d)其中频率的单位是Hz,电流的单位是Ao通过改变水平场的电流L,测出对应不同厶值的率频值匕， 计算出一系列的gM，然后求其平均值，得到最后的结果。因为用增量法可以取得更多的数据，因此 结果更准确。注意：水平场线圈的I值应取读数值的1/2。5. 同向反向法测量水平地磁场。设置同向和反向两种情况对应相同的扫场电流和水平场电流。因为三场同向时的共振频率满足 h 谄勺二 gF“(EEh+E：+Eh)当打场和水平场均与地磁场水平分量反向时(Eh&ET)，共振频率满足屁反二gF沟(BeBhBj, | Bh+Bs |BEh|(人水平场)两式相加减得到V+=(V|,.)+v,q)/2 , Be /=/z(V|,.i+VQ)/(2grj.iB) | Bh+B3 |BE/.|(大水平场)(9b)可通过改变水平场电流I测一系列水平地磁场值Ee，然后取Ee的平均值计算地磁场水平分量 Be,o当水平场和扫描场均与地磁水平分量反向时，磁针方向仍指向地磁场方向时，是“小水平场”, 否则是“大水平场”.地磁场垂直分量则根据当垂直场与垂直地磁场平衡时的垂直线圈的电流用(4)式计算Bev = Bv = - ：严，(巧=0.000587697人(巧(10)3 rv地磁场强度为Bp： = J%： + Be：(11)表1 光磁共振仪的技术参数机号参数水平场线圈扫场线圈垂直场线圈2007008N250250100r0.2630m0.2420m0.1530m五思考题1. 如何确定水平场，打场直流分量与地磁水平分量及垂直场与地磁垂直分量的方向关系？2. 如何区分磁共振信号和光抽运信号？3. 如何区分SFRb和S5Rb的磁共振信号？4.本实验的磁共振对S7Rb和85Rb各发生在那些能级间？ 水平场同向反向法测朗德因子：在抵消地磁场竖直分屋的条件卜；恰当选取担场信号，在无射频场信号时，用三角波观察抽运 信号，使弘和By反向，在抽运信号对应于波峰（卻时，记卜水平场电流值，设此电流值对应的磁场为 Bho，则在对应的峰（谷）处有Bho I = ；,在测量共振信号时，如果BhBho,则有（V同+v反）/2二g“mEh,如呆BKBd则有h （Wv反）/2二grgBb,实验中坚持在三角波的波峰（卻处观察共振信号，这是因为抽 运信号或共振信号稍稍离开波峰（谷）信号的形状就发生明显变化，其灵敏程度比在波沿上用位置判 断更灵敏，更准确.实验证明，当|Bh-Bhol太小时，若瑰与B=+B：反向，则总磁场的值太小，很容易受 到抽运信号的干扰，所以在测戲时应选择u|B.-Bw|不太小.当BQB”时更容易满足这个条件，使测量 的准确度最好使用本方法，既可以使学生进一步明确产生光抽运和磁共振的物理条件，又可以使 学生正确地选择测量戲的条件和计算方法，得出正确测量结果，提高测量的准确度.Rb85与Rb87的丰度比为（3/62）m： （3/38）n=p：q,即m/n= （62/38）p/q,其中m、n分别是样品中Rb85 与Rb87的原子数，p、q分别是Rb85与Rb87的磁共振信号强度。