近代物理实验.docx
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近代物理实验
实验二光泵磁共振实验
在五十年代初期,法国物理学家卡斯特勒(A·H·Kastler)提出了光抽运(opticalpumping,又称光泵)技术,并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法,因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。
光抽运(即光泵)是用圆偏振光束激发气态原子的方法,以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布,造成所需的布居数差,从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度,这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。
在探测核磁共振方面,不是直接探测原子对射频量子发射或吸收,而是采用光电探测的方法,探测原子对光量子的发射或吸收。
由于光量子的能量比射频量子高八个数量级,所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。
三十多年来,用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究,增进了对微观粒子结构的了解。
如对原子的磁矩、朗德因子g,能级结构、塞曼分裂等,尤以对碱金属原子(铷等)激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。
此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。
本实验以碱金属——铷(Rb)原子做为研究对象,所涉及的物理内容丰富,应用到原子物理学,光学,电磁学及无线电电子学等方面的知识,并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。
它是典型的波谱学教学实验之一。
实验原理
1、铷(Rb)原子的精细结构与超精细结构能级
本实验研究气态的自由原子——铷(Rb),它和所有碱金属原子Li、Na、K一样,在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。
铷的价电子处于第五壳层,主量子数n=5。
n为5的电子,其轨道量子数L=0,1,2,3,4,(n-1)。
基态L=0,最低激发态L=1,电子自旋量子数s=1/2。
由于电子的轨道运动与自旋的相互作用(即L-S耦含)而发生的能级分裂,称为原子的精细结构(见图1)。
轨道角动量
与自旋角动量
合成为总角动量
。
原子能级的精细结构用总角动量量子数J标记,J=L+S,L+S-1,……,|L-S|。
对基态,L=0和S=1/2,因此Rb基态J=0+1/2=1/2。
其标记为52S2/1。
Rb最低激发态,L=1和S=1/2,因此J=1/2和J=3/2,是双重态:
52P1/2和52P3/2。
5P与5S能级之间产生跃迁是Rb原子主线系第1条线,为双线。
它在铷灯光谱中强度是很大的。
52P1/2→52S1/2跃迁产生波长为7947.6Å为D1谱线,52P3/2→52S1/2跃迁产生波长为7800A为D2谱线。
原子的价电子在LS耦合中,原子的电子总磁矩μj与总角动量的关系为
⑴
式中gj是原子的朗德因子,计算公式为
⑵
⑴、⑵式表达了单电子原子总磁矩的数值与总角动量Pj值的关系。
核也具有自旋和磁矩,而核磁矩与原子的电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂,称为超精细结构,如图2所示。
核自旋角动量
与电子总动量
耦合成
,
,量子数F=I+j,|I-j|。
Rb87的I=3/2,基态j=1/2,具有F=1和F=2两个态;Rb85的I=5/2,基态j=1/2,具有F=3和F=2两个态。
因此,铷元素在自然中有两种同位素:
Rb87和Rb85(各占27.85%和72.15%)。
整个原子的总角动量PF与总磁矩μF之间的关系可写为
⑶
式中gF是对应于μF与PF关系的朗德因子。
考虑到核磁矩比电子磁矩小约三个数量级,μF实际上为μJ在PF方向的投影,从而得
⑷
以上所述都是没有外磁场的情况。
如果原子处在外磁场
中,由于原子总磁矩μF与
的相互作用,超精细结构的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。
用磁量子数MF表示,则MF=F,F-1,……,-F,即分裂成2F+1个子能级,其间隔相等。
Rb87和Rb85能级图见图3和图4。
原子的总磁矩μF与外磁场
的相互作用能为:
⑸
式中μB为玻尔磁子。
各相邻塞曼子能级的能量差为:
⑹
可以看出,ΔE与B成正比。
当外磁场为零时,各塞曼子能级将重新简并为原来的能级。
2、光抽运会增大粒子布居数之差,以产生粒子数偏极化
当气态Rb87原子受D1σ+左旋圆偏振光照射时,遵守光跃迁选择定则:
ΔF=0,±1ΔMF=+1
在由52S2/1能级到52P2/1能级激发跃迁中,由于σ+光子的角动量为
,只能产生ΔF=±1的跃迁。
基态MF=+2子能级上原子若吸收光子就将跃迁到MF=+3的状态,但52P2/1各子能级最高为MF=+2,因此基态MF=+2子能级上的粒子就不能跃迁,换句话说就是其跃迁几率为零。
而由52P1/2→52S1/2的向下跃迁(发射光子)中,ΔMF=0,±1的各跃迁都是可能的。
见图5(a)(b)。
从图5中看出,经过多次上下跃迁,基态中MF=+2子能级上的粒子数只增不减,这样就增大了布居数的差别,这种非平衡分布称为粒子数偏极化。
原子受光激发,在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于群集称之为光抽运。
光抽运的目的就是要造成基态能级中的偏极化,实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振跃迁实验了。
在实验中为了保持原子分布的高度偏极化,延长驰豫过程(系统由非热平衡分布状态趋向平衡状态的过程),采取在铷样品泡中充入10乇的密度较大的氮气,以便减少铷原子与容器及与其它铷原子碰撞的机会。
此外,铷样品泡内的温度过高或过低,也会使铷原子分布的偏极化减小,因此有个最佳温度范围,在40-60摄氏度之间。
3、塞曼子能级之间的磁共振
因光抽运而使Rb87原子分布偏极化达到饱和以后,铷蒸气不再吸收D1σ+光,从而使透过铷样品泡的D1σ+光增强。
这时,在垂直于产生塞曼分裂的磁场B的方向加一频率为ν的射频磁场,当ν和B之间满足磁共振吸收条件时
⑺
在塞曼子能级之间产生感应跃迁,称为磁共振。
跃迁遵守选择定则
ΔF=0,ΔMF=±1
铷原子将从MF=+2的子能级向下跃迁到各子能级上,即大量原子由MF=+2的能级跃迁到MF=+1,见图6。
以后又跃迁到MF=0,MF=+2等各子能级上。
磁共振破坏了原子分布的偏极化,但同时原子又继续吸收入射的D1σ+光而进行新的抽运,而透过样品泡的光变弱了。
随着抽运过程的进行,粒子又从MF=―2,―1,0,+1各子能级被抽运到MF=+2的子能级上。
随着粒子数的偏极化,透射光再次增强。
这样,光抽运与感应磁共振跃迁达到一个动态平衡。
由于光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级,因此光抽运与磁共振的过程可以连续地进行下去。
Rb85有类似的情况,只是D1σ+光将Rb85抽运到基态MF=+3的子能级上,在共振时又跳到MF=+2,+1,0,―1,―2,―3等子能级上。
在实验时,射频(场)频率ν和产生塞曼分裂的磁场B,两者可以固定一个改变一个,以满足磁共振条件⑸式。
改变频率称“扫频法”,改变磁场称“扫场法”。
本实验装置采用“扫场法”,亦可使用“扫频法”。
4、光探测
投射到铷样品泡上的D1σ+光,一方面起光抽运的作用,另一方面,透射光的强弱变化反映样品物质的光抽运过程和磁共振过程的信息,因此又可以兼作探测光,用以观察光抽运和磁共振。
这样,对铷样品加一射频场(同时存在着使铷原子产生塞曼分裂的磁场),用D1σ+光照射铷样品泡,并探测透过样品泡的光强,就实现了光抽运——磁共振——光探测的全过程。
在探测过程中,射频(106Hz)信息转换成了频率高的光频(1014Hz)光子的信息,这样就使信号功率大大提高了。
实验装置
本实验系统由主体单元、电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成。
见图7。
1、主体单元
主体单元是该实验装置的核心,如图8所示。
由铷光谱灯。
准直透镜(内有偏振片和1/4波片)、吸光池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。
在图8中,铷光谱灯是抽运光源,它是一种高频气体放电灯,由高频振荡器,控温装置和铷灯泡组成。
铷灯泡放在高频振荡回路的电感线圈中,在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。
整个振荡器连同铷灯泡放在同一恒温槽内,温度控制在80~90℃。
高频振荡器的频率约为55~65MHz。
在铷光谱灯出口处,安装一个干涉滤光片,从铷光谱中选出中心波长λ=7947.6Å(D1)的单色光,(D2)光滤掉。
偏振片和1/4波片使D1光成为左旋圆偏振光D1σ+。
在光路上安装两个透镜,一个为准直透镜,一个为聚光透镜,两透镜的焦距均为77mm,它们使D1σ+光平行通过主体单元中央的铷“吸收池”,最后汇聚到光电池上。
铷吸收泡和射频线圈置于圆柱形的恒温槽内,称它为“吸收池”。
槽内温度约在55℃左右。
铷吸收泡内充满天然铷和惰性缓冲气体(氮),在铷样品泡(Φ=52mm)外两侧对称放置一对射频线圈,它为铷原子磁共振跃迁提供射频场。
“吸收池”安放在两对亥姆霍兹线圈的中心。
小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。
大的一对线圈有两个绕组,一组在外,为产生水平直流磁场的线圈,它使铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂。
另一组在内,为扫场线圈,扫场是在直流磁场上叠加的一个调制磁场(方波或三角波)。
光电探测器接收透射光强度的变化,并把光信号转换成电信号,经放大后从示波器上显示出来(放大器倍数大于100)。
2、主电源
主电源为主体单元提供三组直流电;第Ⅰ路是0~1A可调稳流源,为水平磁场提供电流;第Ⅱ路是0~0.20A可调稳流源,为垂直磁场提供电流;第Ⅲ路是24V/2A稳压源,为铷光谱灯、控制电路、扫场提供电压。
电源箱上有两块数字表,分别指示水平场、垂直场的电流大小。
其面板图如图9所示。
3、辅助源
辅助源为主体单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。
射频信号是先输入辅助源,再由24芯电缆将辅助源与主体单元联接起来。
辅助源上设有水平场、垂直场和扫场方向的控制开关及铷光谱灯和“吸收池”的控温指示。
其前、后面板如图10(a)、(b)所示。
4、射频信号发生器
射频信号发生器为通用仪器,频率范围选100KHz~2MHz,输出功率在50Ω负载上不小于0.5W,并且输出幅度要可调节的。
要想准确测出射频信号频率,最好再接入一个数字频率计。
射频发生器是为“吸收池”中的射频线圈提供射频电流,使其产生射频磁场,以便激发铷原子产生光磁共振跃迁。
实验步骤
1、仪器的调节
⑴为了作好实验,应先用磁针确定地磁场的方向。
主体单元的光轴要与地磁场的水平方向平行。
⑵主体单元的光学元件应调成等高共轴。
调节准直透镜得到较好的D1σ+平行光束,穿过铷样品泡并射到聚光镜上。
因铷灯不是点光源,不能得到一个完全的平行光束,但仔细调节,再通过聚光镜可使铷灯到光电池上的总光量为最大,俾可得到良好的信号。
⑶按“预热”键,加温铷样品泡,使槽内温度在55℃左右;同时加温铷光谱灯,使温度到达90℃左右并稳定。
将“垂直场”、“水平场”、“扫场”幅度调至最小,按电源开关,30分钟后,灯温、池温指示灯点亮,表明实验装置进入工作状态。
2、观测光抽运信号
扫场方式选择“方波”,调扫场幅度。
在方波扫场加入铷样品泡的瞬间,Rb原子基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡,即各子能级上的粒子数大致相等。
因此这一瞬间有总粒子数的7/8的粒子在吸收D1σ+光,对光的吸收最强,而透过铷样品泡的光最弱。
随着粒子逐渐被抽运到MF=+2子能级上,能吸收D1σ+光的粒子减少,透过铷样品的光逐渐增强。
当抽运到MF=+2子能级上的粒子数达到饱和时,透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。
这时改变扫场的方向时,(将磁针放在吸收池上边,设置扫场方向与地磁场水平方向相反,并预置垂直场电流为0.07A左右,用以抵消地磁场垂直分量),各塞曼子能级上的粒子数又近似相等,对D1σ+光的吸收又达到最大值。
这样,通过调节扫场方向及幅度及垂直场的大小和方向,便能观察到光抽运信号。
如图11所示。
3、观测光磁共振谱线
光抽运信号反映两个能带间的光学跃迁,即分别由52S1/2和52P1/2分裂而形成的超精细结构能级。
光磁共振信号则反映塞曼子能级之间的射频跃迁。
光磁共振破坏了粒子分布的偏极化,从而引起新的光抽运。
这两种信号都是由透过样品泡的光强变化来探测的。
所以,从探测到的光强变化如何鉴别所发生的是单纯光抽运过程,还是光磁共振引起的,要根据它们产生的条件来区分。
观测光磁共振谱线时选用三角波扫场。
将水平场电流预置为0.200A左右,垂直场的大小方向不变。
调节射频信号发生器的频率,或调节水平场电流大小,可观察到光磁共振信号。
如图12所示。
在实验过程中区分Rb87还是Rb85的共振谱线的方法是,当水平磁场不变时,频率高的为Rb87共振谱线,频率低的为Rb85共振谱线。
当射频率不变时,水平磁场大的为Rb85共振谱线;水平磁场小的为Rb87共振谱线。
4、测量gF因子
为研究铷原子的超精细结构,测准gF因子是很有用的。
我们用亥线霍兹线圈轴线中心处的磁感应强度的运算公式:
(T)⑻
式中N为水平线圈匝数,r为线圈有效半径,
为水平场电流。
(两个水平磁场线圈是并联的)。
测量gF因子采用“调场法”,用三角波扫场,固定ν0,先使水平磁场(
)方向分别与三角波扫场(B扫)方向和地磁场水平分量(Bd11)方向相同,简称“同向”。
固定射频磁场的频率(ν),垂直场的大小方向不变,这时调节
的大小,当出现光磁共振信号波形时,如图12(a)所示,记录此时水平电流Is1值,再使
与Bd11、B扫“反向”,这时再调节
的大小,当出现光磁共振信号波形时,如图12(b)所示,记录此时Is2值,由于采用“换向法”,排除了地磁场水平分量和扫场直流分量的影响,于是得到引起塞曼能级分裂的水平方向磁场。
。
当这个水平磁场
值与射频频率ν满足光磁共振条件⑺式
时,于是便求出
⑼
式中μB是玻尔磁子,μB=9.274×10-24J/T,
=(ν1+ν2)/2是共振频率,h是普朗克常数,h=6.626×10-34J•S,B水平是水平共振磁场数值。
(实际上水平方向的总磁场B总=B水平+
+B扫,地磁场的水平分量是
和扫场B扫直流部分,通过换向法已消除,而B地的垂直分量早已抵消。
因此B总=B水平。
)
样品中铷的两种同位素Rb87和Rb85都存在,而且都能被D1σ+光轴运产生磁共振。
为了分辨是Rb87还是Rb85参与了磁共振,可以根据它们与偏计划有关能态的朗德因子gF不同加以区分。
对于Rb87,由基态中F=+2态德朗德因子gF,可知ν0/B0=gF μB /h=0.700MHz/Gs;对于Rb85,由基态中F=+3态的朗德因子gF,可知ν0/B0=gF μB /h=0.467MHz/Gs。
最后由实验测量结果计算出Rb87和Rb85的gF郎德因子值,并与其理论值进行比较。
4、测量地磁场
测量地磁场利用“调频法”,先使B扫和B//与地磁场Bd//水平方向分量相同,测得ν1。
再按动扫场和水平场的方向开关,借助磁针,使扫场B扫和水平场B//方向与地磁场Bd//水平方向相反,又测得ν2。
这样地磁场水平分量所对应的频率为
=(ν1–ν2)/2(即排除了扫场和水平磁场的影响)。
从⑼式中得到地磁场水平分量为
⑽
⑽式中gF、μB、h均为已知,所以利用
=(ν1–ν2)/2即可算出Bd//数值。
因垂直磁场正好抵消地磁场的垂直分量,从数字表的垂直电流及垂直亥姆霍兹线圈参数,可以确定地磁场的垂直分量数值
,则总的地磁场
。
亥姆霍兹线圈的参数见下表:
机号:
21040亥姆霍兹线圈的参数
水平场线圈
扫场线圈
垂直场线圈
线圈匝数
250
250
100
有效半径
0.2405m
0.2420m
0.1530
机号:
21046亥姆霍兹线圈的参数
水平场线圈
扫场线圈
垂直场线圈
线圈匝数
250
250
100
有效半径
0.2398m
0.2420m
0.1530
思考题:
1、何用罗盘针确定Bd// 、B// 和B扫 方向的关系?
如何确定B丄 与Bd丄大小相等、方向相反?
2、如何区分光抽运信号与磁共振信号?
3、如何判别磁共振信号中是87Rb还是85Rb产生的?
注意事项
1、在实验过程中,主体单元一定要避开其它有铁磁性的物体、强电磁场及大功率电源线。
2、为避免光线(特别是50Hz灯光)影响信号幅度及线型,实验时主体单元应罩上遮光罩。
3、在精确测量地磁场时,为避免“吸收池”加热丝所产生的剩余磁场影响,可短时间断掉池温电源。
4、铷光谱灯是实验关键部件,按下电源开关3分钟后,从铷灯后部观察孔可看见玫瑰紫色的光线。
30分钟后,灯温、池温指示灯点亮,如有异常,一般是灯温失控或灯振荡器发生故障。
参考文献
[1] 褚圣麟 《原子物理学》 高等教育出版社 1979
[2] 张孔时丁慎训《物理实验教程(近代物理实验部分)》清华大学出版社1991
[3] 光磁共振实验装置(技术说明书) 北京大华无线电仪器厂 2002