光磁共振

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，测量朗德因子值；

3、培养实验报告规范与处理能力，作图作表与数据处理能力； 4、基本实验的测试能力。 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．

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．

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，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．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87Rb时，由于87Rb的5 2S1?2态和5 2P1?2态的磁量子数mF的最大值均为±2，而σ﹢光角动量为?只能引起ΔmF＝＋1的跃迁，故D1σ﹢光只能把基态中除mF＝＋2以外各子能级上的原子激发到5 2P1?2的相应子能级上，如图9．4．2(a)所示．

图9．4．2(b)表示跃迁到5 2P1?2上的原子经过大约10－8s后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态5 2S1?2各个子能级上．这样，经过多次循环之后，基态mF＝＋2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态mF＝＋2子能级上．这就是光抽运效应．

同理，如果用D1σ－光照射，则大量粒子将被“抽运”到mF＝－2子能级上．但是，π光照射是不可能发生光抽运效应的．

对于铷85Rb，若用D1σ＋光照射，粒子将会“抽运”到mF＝＋3子能级上．

3．弛豫过程． 光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的

分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度．但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上．由实验得知．样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为10－2s数量级．在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级．

不过得注意的是，温度高低对铷原子系统的弛豫过程有很大的影响．温度升高则铷蒸气的原子密度增加，铷原子与容器壁之间以及铷原子相互之间的碰撞都增加，将导致铷原子能级分布的偏极化减少；而温度过低时铷蒸气的原子数目太少，则抽运信号的幅度必然很小．因此，实验时把样品泡的温度要控制在40～50℃之间．

1．磁共振与光检测． 式（9.4.4）给出了铷原子在弱磁场B0作用下相邻塞曼子能级的能量差．要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场B0的方向上施加一射频场B1作用于样品．当射频场的频率ν满足共振条件 h ν ＝ ΔE ＝ gF μB B0 ． (9．4．6)

时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象．若作用在样品上的是D1σ＋光，对于87Rb来说．是由mF＝＋2跃迁到mF＝＋1子能级．接着也相继有mF＝＋1的原子跃迁到mF＝0，??．与此同时，光抽运又把基态中非mF＝＋2的原子抽运引mF＝＋2子能级上．因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡．发生磁共振时，处于基态mF＝＋2子能级上的原