光磁共振实验报告.doc

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PAGE PAGE 2 得分 教师签名 批改日期 课程编号 课程编号 深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称: 近代物理实验 实验名称: 光磁共振 学院: 组号: 指导教师: 报告人: 学号: 实验地点 实验时间: 年 月 日 星期 实验报告提交时间: 一.实验目的: 1.熟悉光磁共振原理及仪器使用。 2.观察光抽运现象。 3.测量朗德因子值。 二.实验原理: 1、铷原子基态和最低激发态能级. 本实验的研究对象为铷原子,天然铷有两种同位素; 85Rb(占72.15%)和87Rb(占27.85%).选用天然铷作样品,既可避免使用昂贵的单一同位素,又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号.铷原子基态和最低激发态的能级结构如图9.4.1所示. 铷是一价碱金属原子,其基态为5 2S1?2;最低激发态为5 2P1?2和5 2S3 ?2双重态,是电子的轨道角动量与自旋角动量耦合而产生的精细结构.由于是LS耦合.电子总角动量的量子数J=L+S,L+S-1,…,|L-S|.对于铷原子的基态,L=0,S=1?2,故J=1?2;其最低激发态,L=1,S=1?2,故J=1?2和3?2,这就是双重态的由来. 铷原子核自旋不为零,两个同位素的核自旋量子数I也不相同.87Rb的I=3 ? 2,85Rb的I=5 ? 2.核自旋角动量与电子总角动量耦合,得到原子的总角动量.由于I J耦合,原子总角动量的量子数F=I+J,I+J-1,……,|I-J|.故87Rb基态的F=1和2;85Rb基态的F=2和3。.这些由F量子数标定的能级称为超精细结构. 在磁场中,铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂.标定这些分裂能级的磁量子数mF=F,F-1,…,-F,因而一个超精细能级分裂为2F+1个塞曼子能级. 设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF,μF与外磁场B0相互作用的能量为 E=-μF·B0=gF mF μF B0 (9.4.1) 这正是超精细塞曼子能级的能量.式中玻尔磁子μB=9.2741×10-24J·T-1 ,朗德因子 gF= gF [F(F+1)+J(J+1)-I(I+1)] ? 2F(F+1) (9.4.2) 其中gJ= 1+[J(J+1)-L(L+1)+S(S+1)] ? 2J(J+1) (9.4.3) 上面两个式子是由量子理论导出的,把相应的量子数代入很容易求得具体数值.由式(9.4.1)可知,相邻塞曼子能级之间的能量差 ΔE=gF μB B0 , (9.4.4) 式中ΔE与B0成正比关系,在弱磁场B0=0,则塞曼子能级简并为超精细结构能级. 2.光抽运效应. 在热平衡状态下,各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布,其分布规律由式(9.0.12)表示.由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小,可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的.这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象.为此,卡斯特勒提出光抽运方法,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改变. 光抽运效应是建立在光与原子相互作用中角动量守恒的基础上的.这一物理思想的由来并非偶然,据卡斯持勒本人讲,他在法国巴黎高等师范学校学习时,对电磁辐射与原子相互作用如何应用角动量守恒原理表示就特别感兴趣. 由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用,故光对原子的激发,可看作是光波的电场分布起作用.设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同,则左旋圆偏振的σ﹢光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动,其角动量为?;右旋圆偏振的σ-光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动,其角动量为-?;线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加,其角动量为零. 现在以铷灯作光源.由图9.4.1可见,铷原子由5 2P1?2→5 2S1?2的跃迁产生D1线,波长为0.7948μm;由5 2P3?2→5 2S1?2的跃迁产生D2线,波长为o.7800μm.这两条谱线在铷灯光谱中特别强,用它们去激发铷原子时,铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程.然而,频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的,由理论推导可得跃迁的选择定则为 ΔL=±1 , Δ F=0,±1, ΔmF=±1 。 (9.4.5) 所以,当入射光为D1σ﹢光,作用87

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