浙师大物理实验报告-光磁共振

光磁共振实验报告
物理081班 任希 08180123
摘要：在我们对原子超精细结构进行了初步的理解之后，通过课本及网络资料的提示，本
实验采用了以光泵抽运法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构赛曼能级间的磁共振，并且使用DH807A 型光磁共振实验装置来观察光抽运信号的过程，从而测定铷原子两个同位素Rb Rb 87
85
和
的超精细结构塞曼子能级的朗德g 因子。

关键词：光泵抽运法、塞曼分裂、铷原子
引言：
波谱学方法利用物质的微波或射频共振，来研究原子的精细、超精细结构以及在外加磁场中分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学有更高的分辨率。

1950年法国物理学家A.Kastler 等人提出光抽运技术，提高了探测信号的灵敏度。

这种光轴运——磁共振——光探测技术，其灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。

这种方法很快就发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。

它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g 因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。

正文：
实验开始之前，需要对仪器进行大约半小时的预热，并且提前对实验内容进行进一步消化，经过之前的预习工作之后，只需对实验仪器做进一步的了解即可。

预热步骤之后，初步对实验仪器进行调试，可以发现日光灯对实验仪器的影响，而且这个影响对实验结果会造
水平磁场线圈 铷光谱灯
高频 振荡器 放大器
Rb
干涉滤光镜
透镜
偏振片
1/4波片
射频线圈
恒温槽
垂直磁场线圈
透镜
光电池 光电探测器
至示波器
光磁共振实验装置示意图
成非常巨大的影响，所以最后进行实验时，应用幕布罩住整个实验仪器或是关掉日光灯进行实验，以确保实验结果的准确性。

1.观察光抽运现象
首先对光路进行调节，保证各元件在同一光轴上。

调节地磁的影响前，首先扫场方式选择方波，把水平和垂直方向的附加场的旋钮打至最小处，然后用指南针确定地磁方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，预制垂直场电流为0.07A 左右，增大扫场幅度并调节示波器，可初步观察到光抽运信号，然后一次调解透镜，偏振片及扫场幅度,垂直大小与方向，使光抽运幅度最大。

以下是仪器显示的图像：
以上的第一条线就是清晰的光抽运信号了，第二条线是输入信号，光抽运信号的幅度大小经过实验证实和偏振片的位置、外界光影响以及地磁的影响有关。

此时的水平场电流大小为0.126A ，垂直场电流大小为0.068A 。

2.测量g 因子
接着第二步我们要测量铷原子的两种同位素的g 因子大小，根据公式B g h B μυ=，则知道）垂地水B B B g h B ++=(μυ，改变水平场的方向后，公式为
）垂地水B B B g h B ++-=(μυ，二式相减，则有：)(221B B g h B +=μυ，这里的B 均指水
平场的磁场大小。

先把频率调大至702.54KHZ ，将波形调节为三角波，调节过程中不改变扫场与垂直场的大小，只改变水平场的大小，在调节过程中，会出现共振时的信号变化或是磁场过零时的信号变化，区别这两者的情况只需关闭信号发生器，若光抽运信号消失，则此信号时共振产生的信号，若信号还存在，则是磁场过零时的信号。

其特征图为：
一个方向调节完毕之后，则改变方向再调节水平场电流大小，记录对应现象的场电流大小，如此，可得四个数据：
水平同向（A ） 0.112 0.331 水平相反（A ）
0.308
0.413
接着利用老师所提供的EXCEL 既有的公式，输入参考数据，包括线圈有效半径，线圈每边匝数，以及实验测得的水平场电流大小，分别计算得铷原子的两个同位素Rb 85和Rb 87的g 因子大小，大小是0.485与0.298。

.
对比标准的g 因子，Rb 85为0.5，Rb 87为3/1，误差分别是3%与10%，其误差产生的主要原因是调节水平场的电流时，读数所造成的误差，或者是水平场与扫场间的磁场还没有抵消干净造成的。

另外实验使用的信号发生源，其频率的指数不间断的跳动，读取的数值对结果也会产生影响。

3.讨论总结
光磁共振的实验思想解决了研究气态原子物质特性的问题，其内涵是将微弱信号放大或是转变的思想，提高了实验的探测灵敏度。

实验中，我们首先通过调节仪器设备，消除了地磁的影响，得到了完整的光抽运信号，从而加深了对光磁共振的理论理解。

之后，我们根据实验要求对铷原子的两种同位素的g 因子进行了测量，并对其进行了误差分析，为今后实验积累一定的经验。

关于老师在实验中提出的问题，经过总结在此做如下回答：
(1).朗德g 因子的物理意义：根据实验后的思考，g 因子的检测体现了物质的本性；它表征单电子的总磁矩与总角动量的关系，而且决定了能级在磁场中分裂的大小。

(2).磁场测量方法：a.利用霍尔效应的特斯拉计可以测得磁场大小；b.利用巨磁电阻的电阻随磁场变化规律测得磁场大小；c.利用弹簧与磁力间的比例关系测磁场大小；d.利用法拉第定律反推磁场大小（前提是匀强场）；e.利用超导测磁（临界电流随磁场周期起伏现象）。