中國石油大學近代物理實驗實驗報告成績
班級： 材物二班姓名： 焦方宇同組者： 杜聖教師：周麗霞
光幫浦磁共振
【實驗目的】
1.觀察銣原子光抽運訊號，加深對原子超精細結構的理解
2.觀察銣原子的磁共振訊號，測定銣原子超精細結構塞曼子能級的朗德因子。
3.學會利用光磁共振的方法測量地磁場
【實驗原理】
1．rb原子基態及最低激發態的能級
在第一激發能級5p與基態5s 之間產生的躍遷是銣原子主線系的第一條譜線，譜線為雙線。到的躍遷產生的譜線為d1 線，波長是794nm； 到的躍遷產生的譜線為d2 線，波長是780nm。
在核自旋 i = 0 時，原子的價電子l-s 耦合後總角動量pj與原子總磁矩μj的關係j=-gje21）
2）i≠0時，對， i = 3/2；對， i = 5/2。總角動量f= i+j,…,| i-j |。基態f 有兩個值：
f = 2 及f = 1；基態有f = 3 及f = 2。由f 量子數表徵的能級稱為超精細結構能級。原子總角動量與總磁矩之間的關係為：
μf=-gfe2mpf （3）
4）在磁場中原子的超精細結構能級產生塞曼**，磁量子數＝f, f-1, … ,-f，裂成2f＋1 個能量間隔基本相等的塞曼子能級。
在弱磁場條件下，通過解rb原子定態薛定鍔方程可得能量本徵值為
（5）由（5）式可得基態的兩個超精細能級之間的能量差為
6）相鄰塞曼子能級之間（δ＝±1）的能量差為（7）
2. 圓偏振光對rb原子的激發與光抽運效應
電子在原子能級間發生躍遷時，需要滿足總能量和總角動量守恆。一定頻率的光可引起能量差為原子能級之間的躍遷（能量守恆）。而當入射光是左旋圓偏振光（角動量為）時，量子力學給出的躍遷定則為 （角動量守恆）。
的態及態的磁量子數最大值都是+2，當入射光是時，由於只能產生δ=+1 的躍遷，基態＝+2 子能級的粒子不能躍遷， 當原子經歷無輻射躍遷過程從回到時，粒子返回到基態各子能級的概率相等，這樣經過若干迴圈之後，基態＝+2 的子能級上的粒子數就會大大增加，即大量粒子被「抽運」到基態＝+2 的子能級上，這就是光抽運效應。
3. 弛豫過程
在熱平衡狀態下， 基態各子能級上的粒子數遵從玻爾茲曼分布（8） 由於各子能級能量差極小，可近似認為各能級上的粒子數相等。光抽運使能級之間的粒子數之差大大增加，使系統遠遠偏離熱平衡分布狀態。系統由偏離熱平衡分布狀態趨向熱平衡分布狀態的過程稱為弛豫過程。
本實驗涉及的幾個主要弛豫過程有以下幾種：
1、銣原子與容器器壁的碰撞：導致子能級之間的躍遷，使原子恢復到熱平衡分布。
2、銣原子之間的碰撞：導致自旋-自旋交換弛豫，失去偏極化。
3、銣原子與緩衝氣體的碰撞：緩衝氣體的分子磁矩很小，對原子的偏極化基本沒影響。
4. 塞曼子能級間的磁共振
垂直於b0的方向所加一圓頻率為的射頻場，當滿足共振條件（9）時，塞曼子能級之間將發生磁共振。抽運到基態子能級上的大量粒子，由於射頻場的作用產生感應躍遷，即由躍遷到。同時由於光抽運的存在，處於子能級上的粒子又將被抽運到子能級上，感應躍遷與光抽運將達到乙個新的平衡。
在發生磁共振時，由於子能級上的粒子數比未共振時多，因此對光的吸收增大。
5. 光探測
射到樣品泡上線的光一方面起到光抽運作用，另一方面透過樣品的光又可以兼作探測光。測量透過樣品的光強的變化即可得到磁共振的訊號，實現了磁共振的光探測，巧妙地將乙個低頻射頻光子（1―10mhz）轉換為乙個光頻光子（mhz）,使訊號功率提高了7－8 個數量級。
【實驗儀器】
本實驗系統由主體單元、主電源、輔助源、射頻訊號發生器及示波器五部分組成，見圖1.
圖2 主體單元示意圖
主體如圖2所示。光源採用高頻無極放電rb燈，其優點是穩定性好，噪音小，光強大。由於d2線的存在不利於d2線的光抽運，故用透過率大於60%，頻寬小於15nm的干涉濾光片就能很好地濾去d2線。
用高碘硫酸奎寧偏振片和40微公尺左右的雲母1/4波片可產生左旋偏振光б+，透鏡l1可將光源發出的光變為平行光，透鏡l2將透過樣品泡的平行光匯聚到光電接收器上。
【實驗內容】
1．觀測光抽運訊號：
1）將「垂直場」、「水平場」、「掃場幅度」旋鈕調至最小，射頻訊號發生器「幅度調節」調至最小，接通主電源開關和池溫開關，約30分鐘後，燈溫、池溫指示燈點亮。
2) 調節「水平場」旋鈕，調節水平磁場線圈電流的大小在0.20a以下，將指南針置於吸收池上邊，判斷水平磁場和地磁場的方向關係，改變水平場的方向，使水平場方向與地磁場水平方向相反，然後將指南針拿開，並且將水平磁場線圈電流調至最小。
3）掃場方式選擇「方波」，調大掃場幅度。再將指南針置於吸收池上邊，改變掃場的方向，設定掃場方向與地磁場水平分量方向相反，然後將指南針拿開。
4）預置垂直場電流為0.07a，用來抵消地磁場垂直分量，然後調節掃場幅度，使光抽運訊號幅度等高。
2．觀測光磁共振訊號
1）掃場方式選擇「三角波」，幅度保持1狀態，設定水平磁場方向、掃場方向和地磁場水平分量相同，調節射頻訊號發生器「幅度調節」旋鈕，使射頻訊號峰峰值在4.5v。在水平場電流分別為0.
24a，0.20a和0.18a時，，讀出對應的頻率ν1。
2）按動水平場方向開關，使水平場方向與地磁場水平分量和掃場方向相反。仍用上述方法，可得到ν2，則利用公式（7-3-10）可求出gf因子。
3．測量地磁
1）同測gf因子方法類似，先使掃場和水平場與地磁場水平分量方向相同，測得ν1；
2）再按動掃場及水平場方向開關，使掃場、水平場方向與地磁場水平分量方向相反，又得到ν3。這樣由（7-3-14）式可得地磁場水平分量，並根據=（+）1/2可得到地磁場的大小。
3）垂直磁場由下式計算（t7-3-15）
式中n和r是兩個垂直磁場線圈每邊的線圈匝數和線圈有效半徑。因為兩個垂直場線圈是串聯的，數字表顯示的i值是流過單個線圈的電流。
表7-3-1 廠家給出的線圈引數
【資料處理】
一、 測量gf因子
表1 測量gf資料表
用式（7-3-11）可算出bdc ，用式（7-3-10） 可算出gf，其中n和r可從表7-3-1中讀出。
利用式（7-3-12）可得：
gf(87rb)/gf(85rb)=0.5044/0.3371=1.4997
因此實驗資料和結果與理論基本相符。
二、測量地磁場
表2 測量地磁場資料表
利用式（7-3-15）可得垂直方向上的地磁場的平均強度為：
地磁場的強度大小為：
5.8736
六、思考題
1、光抽運的物理過程如何？造成什麼後果？
光抽運的物理過程為：
氣態原子受左旋圓偏振光照射時，遵守光躍遷選擇定則±1，，進行躍遷
在由能級到能級的激發躍遷中，由於光子的角動量為,只能產生的躍遷。基態子能級上原子若吸收光子就將躍遷到的狀態，但各自能級最高為。
因此基態中子能級上的粒子就不能躍遷。
由於的激發而躍遷到激發態的粒子可以通過自發輻射退激回到基態，當原子經歷無輻射躍遷過程從回到時，則原子返回基態各子能級的概率相等，這樣經過若干迴圈之後，基態子能級上的原子數就會大大增加，即大量原子被「抽運」到基態的的子能級上。
結果：造成了偏極化，使光幫浦磁共振訊號加強。
2.方波掃場、水平場在光抽運過程中起什麼作用？對方波掃場和水平場的方向、振幅有何要求？
答:方波掃場、水平場在光抽運過程中抵消了地磁場在水平方向上的分量。方波掃場提供乙個週期性的磁場，使光抽運週期性發生。
在觀察光抽運訊號時，設定水平場為零，並使掃場方向與地磁場水平分量方向相反，並調節掃場幅度，使光抽運訊號與總磁場的訊號等高。
【實驗總結】
在做本實驗時，由於不熟悉實驗操作，重新做了好多次才做出，首先要注意的是，在測光抽運訊號時，要測好水平場和掃場的方向，否則後面實驗無法進行。其次，在做完光抽運訊號的觀察後，要通過調節掃場消除掉光抽運訊號，否則會影響後面的光磁共振訊號的觀測。在調節射頻訊號發射器頻率時，從小到大，會出現兩次峰值，頻率大的為銣87，頻率小的為銣85。
實驗誤差主要**與外界光的干擾和肉眼觀測訊號是的誤差。在測量地磁場反向頻率時由於與得出的資料比較接近，，需要仔細反覆的多測幾次才得出了比較好的資料記錄。總之，通過這次實驗加深了對光抽運和光磁共振的了解，掌握了很多知識。
【原始資料附錄】
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