南京大学近代物理实验-光磁共振
9.2近代物理实验核磁共振
实验9.1 核磁共振熊波 121120148（南京大学物理学院2012级）引言：在基本实验的基础上，得到三种不同样品的核磁共振谱，并具体计算他们的化学位移与自旋耦合效应。
其次，对自旋耦合效应的相互作用与等间距特点进行了一定的调研，可以从理论上直接证明这些特点。
关键词：核磁共振；化学位移；自旋耦合；§1.引言1946 年，美国斯坦福大学的 Bloch 等人和哈佛大学的 Purcell 等人独立地采用原子核感应法，即同时将一个恒定磁场和沿垂直于恒定磁场方向上的一个交变磁场同时作用于原子核系统上，然后测定由原子核磁矩进动所感应的电动势，发现了核磁共振现象。
后来.Bloch 和 Purcell 因为这一发现而获得了 1952 年度的诺贝尔物理学奖。
今天，核磁共振已成为研究物质结构和原子核的磁性、进行各种化合物的分析租鉴定、精密测定各种原子核磁矩以及作为核磁共振成像仪的重要原理和组成部分在医学上进行诊断的有力工具。
§2.实验原理§2.1 .原子核的基本特性原子由原子核和核外运动的电子所组成。
原子核的电荷、质量、成分、大小、角动量和磁矩构成了它的基本性质。
众所周知，原子核带正电，所带电量和核外电子的总电量相等，数值上等于最小电量单位e( C)的整倍数，称为电荷数。
原子核的质量一般用质量数表示，接近于原子质量单位 u( kg)的整数倍。
原子核由质子和中子所组成。
质子和中子的质量大致相等，但每个质子带正电量e，而中子则不带电。
因此，元素周期表中的原子序数 z 在数值上等于相应原子核外的电子数、核内质子数和核的电荷数。
原子核的半径为m的数量级。
原子核具有本征角动量，通常称为原子核的自旋，等于核内所有轨道和自旋运动的角动量的总和。
核自旋可用自旋量子数I来表征。
核内的中子和质子都是的粒子。
实验证明，如将原子核按其自旋特性来分类，则可分为三类:(1) 电荷数(即原子序数)与质量数都为偶数的核，如，等，它们的自旋量子数为零;(2) 质量数为单数的核，如，，等，它们的自旋量子数为半整数(，，…) ;(3) 质量数为双数，但电荷数(原子序数)为单数的核，如，等，它们的自旋量子数为整数(1，2，3，…)。
近代物理实验_光磁共振实验深圳大学
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：光磁共振实验报告学院：物理科学与技术学院组号 09 指导教师：陈静秋报告人：学号：班级： 01实验地点科技楼B105 实验时间：实验报告提交时间：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．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 。
近代物理实验6-3光泵磁共振
目录
• 背景介绍 • 实验原理 • 实验装置 • 实验内容 • 实验操作 • 参考文献
背景介绍
光泵磁共振是光抽运和磁共振结合在 一起的物理过程，该实验利用基态超精细 能级上的原子对抽运光的选择吸收，实现 基态塞曼子能级上粒子数的反转分布，在 粒子数反转条件下实现磁共振，并利用抽 运光对磁共振信号作光检测。
实验原理
实验装置
辅助源提供各线圈的激磁电流和控制池温等。
实Hale Waihona Puke 内容实验操作参考文献
[1] 高立模.近代物理实验.南开大学出版社，2006 [2] 杨福家.原子物理学（第四版）.高等教育出版社， 2008 [3].铷原子的光泵磁共振实验报告. /
近代物理实验总结_2
近代物理实验总结通过这个学期的大学物理实验，我体会颇深。
首先，我通过做实验了解了许多实验的基本原理和实验方法，学会了基本物理量的测量和不确定度的分析方法、基本实验仪器的使用等；其次，我已经学会了独立作实验的能力，大大提高了我的动手能力和思维能力以及基本操作与基本技能的训练，并且我也深深感受到做实验要具备科学的态度、认真态度和创造性的思维。
下面就我所做的实验我作了一些总结。
一.核磁共振实验核磁共振实验中为什么要求磁场大均匀度高的磁场?扫场线圈能否只放一个?对两个线圈的放置有什么要求？测量共振频率时交变磁场的幅度越小越好?1, 核磁共振实验中为什么要求磁场大均匀度高的磁场?要求磁场大是为了获得较大的核磁能级分裂。
这样，根据波尔茨曼，低能和高能的占据数（population)的“差值增大，信号增强。
均匀度高是为了提高resolution.2. 扫场线圈能否只放一个?对两个线圈的放置有什么要求?扫场线圈可以只放一个。
若放两个，这两个线圈的放置要相互垂直，且均垂直于外加磁场。
3. 测量共振频率时交变磁场的幅度越小越好?不对。
但是太大也不好（会有信号溢出）应该有合适的FID信号二.密立根有实验对油滴进行测量时，油滴有时会变模糊，为什么？如何避免测量过程丢失油滴？若油滴平很调节不好，对实验结果有何影响？为什么每测量一次tg都要对油滴进行一次平衡调节？为什么必须使油滴做匀速运动或静止？试验中如何保证油滴在测量范围内做匀速运动？1、油滴模糊原因有：目镜清洁不够导致局部模糊或者是油滴的平衡没有调节好导致速度过快为防止测量过程中丢失油滴，油滴的速度不要太大，尽可能比较小一些，这样虽然比较费时间，但不会出现油滴模糊或者丢失现象2、根据实验原理可知，如果油滴平衡没有调节好，则数据必然是错误的，结果也是错误的。
因为油滴的带电量计算公式要的是平衡时的数据因为油滴很微小，所以不同的油滴其大小和质量都有一些差异，导致其粘滞力和重力都会变化，因此需要重新调节平衡才可以确保实验是在平衡条件下进行的。
大学近代物理实验期末考试复习资料
专题一光谱专题1、氢原子和钠原子光谱实验观察的线系氢原子光谱观察的线系是巴尔末线系钠原子光谱观察的线系是主线系（见课本P9)2、光电倍增管的工作原理光谱仪当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。
这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。
然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。
因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。
另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。
3、光谱仪的构成及工作原理光谱仪的构成：光学系统电子系统软件系统（其工作原理见书P6)4、什么是量子缺?如何测量？由于原子实的极化与贯穿，主量子数n相同、轨道量子数l不同的轨道,其能量并不相同，电子能量与n/l都有关系，暂不考虑电子自旋与轨道运动的相互作用引起的能级分裂。
以有效量子数代替主量子数.主量子数与有效量子数只差称为量子缺.通过光谱仪测出相邻谱线的波长,算出两谱线的波数差，再代入课本（2-7）公式,再通过查里德伯表找出m，a值，即可算出量子缺,相邻两谱线可绝定一个量子缺，对不同测量数据取平均值，即为所求的量子缺。
5、狭缝宽度和高压对测量结果的影响高压作用是提高光电倍增管的放大系数，使其对光信号更为敏感，对谱线宽度和分辨率影响可以忽略，而入射狭缝和出射狭缝的宽度与谱线宽度成正比,与光谱仪的分辨率成反比,因此缝宽不能加得太大以免降低谱线的分辨率,也不能太小，以免谱线强度太弱。
6、氘原子和钠原子光谱实验中,所用到的光源、分光元件、光强探测仪分别是什么?氘灯平面衍射光栅光电倍增管（PMT）钠灯平面闪耀光栅光电倍增管 (PMT）、光电探测器专题二真空专题实验一基础部分1、掌握粗真空、低真空、高真空区域的划分。
答：粗真空：100000Pa—1300Pa 760托~10托低真空：1300Pa-0。
13Pa 10托～10^（-3）托高真空：0。
近代物理实验报告—连续与脉冲核磁共振
（1）实验装置
脉冲核磁共振仪的结构简图如图7所示，主要由永磁铁、匀场线圈、射频脉冲发生器、射频探头和信号采集系统组成。
图7脉冲核磁共振仪的结构
（2）工作原理
在求解布洛赫方程的稳态解过程中引入一个角频率为 的旋转坐标系中，设某时刻，在垂直于 方向上施加一射频磁脉冲 ，其脉冲宽度满足 。在施加脉冲前， 处在热平衡状态，方向与z轴重合；施加脉冲后， 以角频率 绕 轴进动。 转过的角度 称作倾倒角。脉冲宽度恰好使 或 ，称这种脉冲为90°或180°脉冲。
图1磁矩在恒定外磁场中的进动图2 在转动的坐标系下的进动 图3在实验室坐标系看 的运动
（2） 在随时间变化的磁场中的运动
除了在z方向上加了 外，我们在x-y方向上加了以 转动的磁场 。经过计算，我们发现在转动的坐标系中有效磁场是一个静止磁场，因此我们可以认为 在绕 进动如图2。我们可以理解为绝对运动等于相对运动叠加牵连运动，若 按照 转动且 ≤ ，则 讲一方面绕z转动另一方面绕x作进动如图3，可以看作是一个锥面有球的顶点展开最后收回到球的下顶点。
带入旋磁比 式可得： （7）
显然，磁矩的运动与所处磁场的性质有关。
（1） 在静磁场中的运动
设外加磁场 ，令 ，可以得到（7）式的解：
（8）
其中 为 与 的夹角，是由初始条件决定的常数，由此可见，在外加静磁场 作用下，总磁矩 绕静磁场进动，进动角频率即拉摩频率 。 与 无关， 确定后 在x-y平面上的投影 和在z轴上的投影 都是常数，如图1所示。
是自旋体系与环境相互作用时的速度量度， 的大小主要依赖于样品核的类型和样品状态，所以对 的测定可知样品核的信息。
4、布洛赫方程和其稳态解
布洛赫假设磁场和核自旋体系的自发弛豫两者独立地堆宏观磁化强度 发生作用，从而导出了布洛赫方程:
物理学近代史实验
一、名词解释1、波导波长：在波导管中传播的合成波的两个相邻波峰或波谷之间的距离。
2、偶合符合:两个彼此毫无因果联系的毫无规律的事件，由于碰巧正好在时间间隔内发生，而引起的符合记录。
3、真符合：两个彼此有因果联系的事件，并且同时发生的事件，它们之间的符合。
4、核磁共振：是指磁矩不为零的原子或原子核处于恒定的磁场中，由射频或微波电磁场引起塞曼能级之间的共振跃迁现象，这种共振现象若为原子核磁矩的能级跃迁便是核磁共振。
5、光学传递函数：表征光学系统对不同频率的目标的传递性能，广泛应用于对成像质量的评价。
6、分辨时间：能被记录为符合的两事件间的最大时间间隔。
7、德拜线的标准化：每一个德拜线对应一个晶面族，实验中需要分析每条德拜线是由什么晶面衍射形成的，叫。
8、连续谱：高速电子打到阳极表面时电子的运动受阻，产生韧致辐射，向外发射电磁波。
9、标识谱：由原子内部电子跃迁产生的。
10、弛豫过程：由于物质内部相互作用引起非平衡状态向平衡状态恢复的过程。
11、反常的塞满效应：双重或多重结构的原子光谱，在较弱的磁场中，每一条谱线分裂成许多条分线，谱线的间距不是L。
12、正常塞满效应：单线系的每一条谱线在垂直磁场的方向观察时，每一条分裂为三条，彼此间隔相等，中间一条π线频率不变，左右两条线波数改变L，它们都是线偏振的。
当沿着磁场方向观察时，中间的π成分看不清，只能看到两条圆偏振的。
二、填空1、闪烁探测器由闪烁体，光电倍增管，和相应的电子仪器组成。
2、在氦氖激光器的模式分析实验中主要仪器包括激光器小孔光栅扫描干涉仪放大器示波器组成。
3、光子与物质相互作用的最主要的三种形式为光电效应康普顿效应电子偶产生4、油滴法测电子电荷一般可以用静态平衡动态平衡测量5、放射性探测器主要有气体探测器闪烁体探测器半导体探测器6、核磁共振的研究对象是磁矩不为零的原子或原子核7、拉曼散射的经典解释：电哦级矩的量值与电场强度的量值成正比。
8、激光器的三个基本组成部分增益介质谐振腔激励能源9、实际激光器的输出光谱宽度是自然宽度碰撞宽度多普勒增宽叠加而成的。
南京大学-光磁共振实验报告
光磁共振(南京大学物理学院 江苏南京 210000)摘要：光磁共振是利用光抽运的方法，进一步提高磁共振灵敏度的技术。
本实验依据光磁共振技术，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。
关键词：光磁共振；光抽运；磁共振；塞曼效应；塞曼子能级；地磁场；朗德因子一、实验目的1. 掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。
2. 测定銣原子87Rb 和85Rb 的参数：基态朗德因子F g 和原子核的自旋量子数I 。
3. 测定地磁场B u u u r地的垂直分量B 地垂直、水平分量B地水平及其倾角θ。
二、实验原理光磁共振技术是根据动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。
特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。
1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第五壳层，主量子数n=5,电子轨道量子数L=0,1,2,3…,n-1,电子自旋S=1/2。
铷原子中价电子的轨道角动量L P 和自旋角动量S P 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量J P，其数值,,1,,J P J L S L S L S ==++-⋅⋅⋅-。
当不考虑铷原子核的自旋时，铷原子总磁矩2J JJ eeg P m μ=-，其中,e e m -分别为电子的电荷、质量。
朗德因子 (1)(1)(1)12(1)J J J L L S S g J J +-+++=++从而形成原子的超精细结构能级，这时，铷原子的基态能级21S J nS +对应于n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为2125S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级21S J nP +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为2125P 和2325P ，相应的朗德因子24,33J g =。
近 代 物 理 实 验
近代物理实验实验报告班级学号姓名上课时间联系电话实验I 光磁共振一、实验目的1通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识；2掌握光磁共振的实验技术；3测定铷原子的g因子和测定地磁场。
二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）什么是光抽运效应？产生光抽运信号的实验条件是什么？怎样用光抽运信号检测来检测磁共振现象？2）如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？3）扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？4）利用光抽运探测磁共振比直接探测磁能级之间的磁共振跃迁的信号灵敏度可提高多少倍？2. 创意实验J 铁磁共振一、实验目的1．了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象；2．测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；3．测量微波铁氧体的g因数二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）本实验是怎样测量磁损耗的？实验中磁损耗又是通过什么来体现的？2）为什么在传输式谐振腔中有磁性样品时，腔的谐振频率会随外加稳恒磁场的改变而发生变化，并且在空腔的谐振频率上下波动，即产生所谓频散效应？3）如何精确消除频散效应？实验中是如何处理频散效应的？2. 创意实验K 核磁共振一、实验目的1.掌握ＮＭＲ的基本原理及观测方法；2.用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象；3.由共振条件测定氟核（１９Ｆ）的g因子。
二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1．思考题解答1）简述核磁共振的原理并回答什么是扫场法和扫频法？2）NMR实验中共用了几种磁场？各起什么作用？3）试想象如何调节出共振信号。
4)不加扫场电压能否观察到共振信号？2. 创意实验L 电子顺磁共振一、实验目的1．了解电子顺磁共振的原理；2．掌握FD-TX-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法；3．利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH的g因子。
近代物理实验报告2
2016/10/10 10:24:00近代物理实验报告2实验名称：光磁共振指导教师：刘洋专业：物理班级：求是物理班1401姓名：朱劲翔学号：3140105747实验日期：2016.11.23实验目的：1．加深对超精细结构原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。
2．掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法。
3．测定铷(Rb )原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子F g 和地磁场强度E B 。
实验原理：1 铷原子基态及最低激发态能级的塞曼分裂天然铷含量大的同位素有两种：Rb 85占72.15%,Rb 87占27.85%。
铷是一价碱金属原子（原子序数为37），基态是2125S ，即电子的轨道量子数0=L ，自旋量子数21=S 。
轨道角动量与自旋角动量耦合成总的角动量J 。
由于是LS 耦合，S L J +=，···,S L J -=。
铷的基态21=J 。
铷原子的最低光激发态是125P 及2325P 双重态，它们是LS 耦合产生的双重结构，轨道量子数L=1，自旋量子数 S=1/2。
2125P 态J=1/2；325P 态J=3/2。
在5P 与5S 能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特别强，2125P 到2125S 跃迁产生的谱线为1D 线，波长为nm 8.794，325P 到2125S 的跃迁产生的谱线为2D 线，波长是nm 0.780。
原子物理学中已给出核自旋I=0时，原子的价电子LS 耦合后总角动量J P与原子总磁矩J μ的关系：Je J J P m e g2-=μ (4-1))1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J(4-2)其中式中J g 为铷原子精细结构朗德因子。
当I ≠0时，Rb 87的I=3/2，Rb 85的I=5/2。
设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ，I P 与J P 耦合成F P，有J I F P P P +=。
南京大学近代物理实验-光磁共振
光磁共振实验摘要：本实验依据塞曼效应、光抽运效应、基态塞曼子能级间的光磁共振等原理，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。
关键词：光磁共振，光抽运，塞曼效应一、引言二、实验原理三、实验仪器四、实验步骤：五、数据处理及误差分析亥姆霍兹线圈轴中心处磁感应强度B 的计算公式为73216B 105NI T rπ-=∙⨯其中r 为线圈有效半径（m ），I 为线圈电流强度（A ）。
本实验中线圈的相关参数见下表1．地磁垂直分量测量实验测得垂直磁场与地磁场垂直分量完全抵消时，垂直线圈电流为0.062A ，代入磁感应强度计算式中，得地磁场垂直分量5B =1.8210T -⨯地垂直.2.铷原子基态朗德因子F g 和核自旋量子数I 测量水平线圈电流0.280A ，代入磁感应强度计算式中，对应的磁感应强度为4B =1.3110T -⨯水平（1）85Rb 原子： 实验测得1ν=979.4kHz 2ν=265.3kHz与B 水平对应的频率ν=622.35kHz由此可以算出85Rb 原子的F g =0.34I=2.45F g 的理论值为F g 理论=13，因此F g 的测量误差为F F F g F g -g =100%g ∆⨯理论理论=1.83%I 的理论值为I 理论=2.5，因此I 的测量误差为I I-I=100%I ∆⨯理论理论=2.16%（2）87Rb 原子：实验测得1ν=1460.6kHz2ν=392.8kHz与B 水平对应的频率ν=926.7kHz由此可以算出87Rb 原子的F g =0.51I=1.48F g 的理论值为F g 理论=0.5，因此F g 的测量误差为F F F g F g -g =100%g ∆⨯理论理论=1.08%I 的理论值为I 理论=1.5，因此I 的测量误差为I I-I=100%I ∆⨯理论理论=1.43%3.地磁场的水平分量B 地水平和倾角θ的测量水平线圈电流0.280A ，对应的磁感应强度为4B =1.3110T-⨯水平（1）85Rb ：3ν=485.9kHz与B 地水平对应的频率为ν=246.75kHz计算得5B =5.2910T -⨯地水平（2）87Rb ：3ν=725.9kHz与B 地水平对应的频率为ν=367.35kHz计算得5B =7.8710T -⨯地水平两者取平均值，得5B =6.5810T -⨯地水平前面已经测得5B =1.8210T -⨯地垂直所以B 地=56.8310T -⨯ 倾角为B tan =B θ地垂直地水平=0.277本实验误差的主要来源：1. 本实验测量过程中，实验室内还在进行塞曼效应的实验，其使用的强磁场对本实验中磁共振频率的测量产生了干扰；2. 示波器信号飘忽不定，使磁共振频率的测量存在读数误差；3. 遮光布遮光不充分，外界光透入对测量产生干扰。
光磁共振实验报告
近代物理实验报告光磁共振实验学院班级姓名学号时间 2014年3月22日光磁共振实验实验报告【摘要】：本实验以光抽运的方法来研究气态原子基态及激发态的精细结构和超精细结构塞曼能级间的磁共振。
在加深对原子超精细结构的理解的基础上，使用DH807A型光磁共振实验装置观察光抽运信号，以此来测定铷原子(85Rb，87Rb)的超精细结构塞曼子能级的朗德因子（g）。
【关键词】：光抽运、光磁共振、铷原子、超精细结构、朗德因子【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。
为此，Kastler荣获了1966年度的诺贝物理奖。
【正文】：一、实验原理1、能级分裂铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素: 85Rb和87Rb,二者的比例接近2比1。
它们的基态都是52S1/2，即电子的主量子数n=5，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量量子数J=1/2（L—S 耦合）。
)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 在L —S 耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，电子的总角动量J=L+S 和L-S ，即J=3/2和1/2，形成双重态：52P 1/2和52P 3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。
因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D 1和D 2线，它们的波长分别是794.8nm 和780.0nm 。
近代物理实验 光泵磁共振 (6-3)
4.实验预习中的一些问题
• 1.本实验中我们引入了扫场线圈和扫场的概念， 对于不同的小实验中，扫场输出的波形是有规定 的，这种规定能否改变，有何影响？ • 2.在前面的光速测量实验中，我们看到示波器对 于多路信号的测量的准确性不如数字仪器（数字 位相计），这个实验中，我们又多次使用示波器 观察，有没有数字仪器代替品代替示波器来完成 这个实验，从而提高精度？ • 3.在地磁场的测量中，我们自拟了一个实验方案， 在实验室条件下，利用这套仪器有没有更佳的方 案？
（二）弛豫过程
热平衡状态下,基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布(N = N0e−E/kT)。由于各子能级的能级差很小,近似认为各能级上的粒 子数相等。光抽运造成粒子数差变大,使系统处在粒子数反转分布 状态。系统由非热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为 弛豫过程。本实验与弛豫有关的几个主要过程: 1、铷原子与容器碰撞导致子能级之间的跃迁,使原子恢复到热 平衡分布, 失去光抽运造成的偏极化。 2、铷原子之间的碰撞导致自旋-自旋交换弛豫。当外磁场为0时 塞曼子能级简并,这种弛豫使原子回到热平衡分布,失去偏极化。 3、铷原子与缓冲气体间碰撞。由于缓冲气体分子磁矩很小，碰 撞对铷原子磁能态扰动极小,这种碰撞对原子的偏极化基本无影响。 铷原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因。缓冲气体分子 不可能将子能级之间的跃迁全部抑制,因此不可能把粒子全部抽运 到mF =+2的子能级上。处于5 2P1/2 态的原子需与缓冲气体分子碰撞 多次才有可能发生能级转移。缓冲气体分子还有将粒子更快地抽 运的mF=+2子能级的作用。
水平|)
A
于是有： hν1+hν2=2gFμBB水平,这 样就消除了地磁场的干扰，从而求出gF 的值。 由于85Rb和87Rb都会发生共振，其中 87Rb的共振频率高，所以87Rb的取值应选 共振频率较大的一组。
近代物理实验内容及思考题
近代物理实验内容及思考题近代物理实验内容及思考题第一轮实验项目：一、夫兰克—赫兹实验实验内容：1、仪器的安装调试。
2、逐点手动测量激发电位：在同一张坐标纸上作出I p ～V G2曲线，由曲线确定出各极值电位值。
求出氩原子第一激发态电位和测量误差。
3、自动测量激发电位：在示波器上调出I p ～V G2曲线，直接读出氩原子第一激发态电位值。
4、示波器观察分别改变减速电压V p 和灯丝电压V f 曲线I p －V G2应有何变化。
课后思考题：1、解释曲线I p －V G2形成的原因。
2、实验中，取不同的减速电压V p 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？3、实验中，取不同的灯丝电压V f 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？二、塞曼效应实验内容：1、调整光路，从测量望远镜中可观察到清晰明亮的一组同心干涉圆环。
2、接通电磁铁稳流电源，缓慢地增大磁场B ，从测量望远镜中可观察到细锐的干涉圆环逐渐变粗，然后发生分裂。
旋转偏振片为00、450、900各不同位置时，观察偏振性质不同的π成分和σ成分。
3、选定干涉级K 和K-1的位置，测量干涉圆环直径，用特斯拉计测出磁场B ，根据下式求出电子的比荷（e/m ）值。
（标准值m e /=1.76?1011C/kg ） dB c D D D D m e K K a b π422122?--=-（式中d=5mm ）4、观察沿磁场方向的塞曼分裂，将电磁铁旋转900，并抽出铁芯，放上1/4波片与偏振片，以区分左旋和右旋偏振光。
课后思考题：1、什么叫塞曼效应，磁场为何可使谱线分裂？2、叙述各光学器件在实验中各起什么作用?3、如何判断F-P 标准具已调好？4、实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的π成分和σ成分？如何观察和分辨σ成分中的左旋和右旋偏振光？三、核磁共振实验内容：1、观察氢核1H 的NMR 现象（1）分别改变不同实验条件（射频场强度、扫场电压、样品在磁极间的位置）观察吸收信号的变化；（2）比较掺入顺磁物质浓度不同的水样品，观察吸收信号的差别。
最新-南京大学近代物理实验2019版——法拉第效应02019 精品
南京大学近代物理实验2019版——法拉第效应篇一：南京大学-法拉第效应法拉第效应(南京大学物理学院江苏南京210000)摘要：平面偏振光穿过介质时，如果在介质中沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察到光经过样品后光的振动面转过一个角度，也就是磁场使介质具有了旋光性，这种现象称为法拉第效应。
本实验通过测量不同磁场下的法拉第转角，计算出介质的费尔德常数。
关键词：法拉第效应；法拉第转角；费尔德常数；旋光性一、实验目的1了解法拉第效应的经典理论。
2初步掌握进行磁光测量的方法。
二、实验原理1法拉第效应实验表明，偏振面的磁致偏转可以这样定量描述：当磁场不是很强时，振动面旋转的角度θ与光波在介质中走过的路程及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量成正比，这个规律又叫法拉第_费尔得定律。
(1)比例系数由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔得()常数，它与光频和温度有关。
几乎所有的物质(包括气体液体固体)都有法拉第效应，但一般都很不显著。
不同物质的振动面旋转的方向可能不同。
一般规定：旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正旋（>0），反之叫负旋（0），反之叫负旋（0），反之叫负旋（法拉第效应与自然旋光不同。
在法拉第效应中，对于给定的物质，偏振面相对于实验室坐标的旋转方向，只由的方向决定，和光的传播方向无关，这个光学过程是不可逆的。
光线往返一周，旋光角将倍增。
而自然旋光是可逆的，光线往返一周，累积旋光角为零。
与自然旋光类似，法拉第效应也有色散，如图2所示。
含有三价稀土离子的玻璃，费尔德常数可以近似表示为22?1?(???)（2）这里是透射光波长λ、有效的电偶极矩阵元、温度和浓度等物理量的函数，但是与入射波长λ无关。
这种值随波长而变得现象称为旋光色散。
图2室温下铈3+玻璃的旋光色散曲线2、法拉第效应的经典理论从光波在介。
光磁共振
个低频射频光子（1~10MHz）转换成光频光子（108MHz），从而使信号功率增强了 7~8 个数
量级。
实验装置
实验装置如图 7-6 所示，铷光谱灯是一种高频气体放电灯。它由高频振荡器、控温 装置和铷灯泡组成。铷灯泡放置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 90oC 左右。高频振 荡器频率约为 65MHz。干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）能很好地滤去 D2 光（D2 光不利
热平衡状态向非热平衡状态转变，A.Kastler 引入了光抽运方法，用圆偏振光激发铷原子， 使塞曼子能级间的粒子差数比玻尔兹曼分布形成的粒子差数大几个数量级，造成铷原子的偏
极化。
I=3/2
I=5/2
52P3/2
J=3/2
F=3 F=2 F=1 F=0 F=2
+2
+1
F=2
0
-1
52P1/2 J=1/2 818.6 MHZ*h
原子物理中原子总磁矩μF 与外磁场 B0 相互作用的能量为
E F • B0 gF mF B B0
相邻塞曼子能间的能量差为：EmF gF B B0 。如在垂直于恒定磁场 B0 的平面内施 加一射频场 B1，当射频场的频率 满足共振条件
hv E gF B B0
时，Rb 基态超精细塞曼能级之间将发生感应磁跃迁现象，感应磁跃迁的选择定则是
于 D1 的光抽运）。偏振片和 1/4 波片（和准直透镜装在一起）使光成为左旋圆偏振光。
镜镜 1 使光源发出的光变为平行光，焦距较小；透镜 2 将透过样品泡的平行光会聚到光电 接收器上。天然铷和惰性缓冲气体被充入一个直径约 52mm 的样品泡内，该铷泡两侧对称 放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁场。这个铷吸收泡和射频线圈都置于圆 柱形恒温槽内，称它为吸收池。槽内温度约在 55 oC 左右。吸收池放置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， 一组为水平直流磁场线圈，它使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。另一组为扫场线圈，它 使直流磁场上叠加一个调制磁场。光电探测器接收透射光强变化，并把光信号转换成电信号。 接收部分采用硅光电池，再把电信号经放大器放大后从示波器上观察。
南京大学近代物理实验-法拉第效应
法拉第效应摘要：光在通过偏振片时，不同的偏振方向上的光吸收程度不同，偏振方向与入射光线平行时光通过最多，与入射光线垂直时光线被阻挡最多。
本实验通过寻找电流最小的角度，再计算旋转的角度求出法拉第转角以及费尔德常数。
关键词：法拉第效应，旋光角，费尔德常数一、引言法拉第效应1845年由法拉第发现。
法拉第效应可用于混合碳水化合物成分分析和分子结构研究。
近年来在激光技术中这一效应被利用来制作光隔离器和红外调制器。
由于法拉第效应的其他性质，他还有其他更多的应用。
法拉第效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。
法拉第旋光在强磁场下具有非互易性，这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。
许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。
二、实验原理当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，这种磁致旋光现象是1845年由法拉第首先发现的，故称为法拉第效应。
振动面转过的角度称为法拉第效应旋光角。
实验发现θ＝VBL （1）其中θ为法拉第效应旋光角；L为介质的厚度；B为平行与光传播方向的磁感强度分量；V称为费尔德(V erdet)常数。
一般约定，当光的旋转方向与产生磁场的电流的方向一致时，称法拉第旋转是左旋，v>0;反之则叫右旋,v<0。
法拉第效应与自然旋光不一样，不具备一般的光学过程可逆，对于给定的物质，旋转的方向只由磁场的方向决定，和光的传播方向无关，这叫做法拉第效应的“旋光非互易性”。
法拉第效应的原理一束平行于磁场方向传播的平面偏振光E（E表示电场强度矢量），可以看着是两束等幅的左旋E L和右旋E R圆偏振光的叠加，不加外磁场时，他们通过距离为l的介质后，由于介质对他们具有相同的折射率和传播速度，所以他们产生的相位移相同，不发生偏转；当有外磁场时，由于磁场使物质的光学性质改变，这两束光具有不同的折射率和传播速度，产生不同的相位移：φL =2πn L l/λ（2）φR =2πn R l/λ（3）其中φL 和φR 分别为左旋和右旋圆偏振光的相位；n L 和n R 分别为左旋和右旋圆偏振光在介质中的折射率；λ为真空中的波长。
南京大学近代物理实验-塞曼效应
3.外磁场对原子能级作用
原子的总磁矩在外磁场中受到力矩L的作用，可按下式计算。
(5-5)
力矩L使总角动量发生旋进，角动量的改变的方向就是力矩的方向。原子受磁场作用而旋进所引起的附加能量 如下
(5-6)
其中角α和β的意义如图5-3所示。
图5-3原子总磁矩受场作用发生的旋进
由于 或 在磁场中的取向是量子化的，也就是PJ在磁场方向的分量是量子化的，PJ的分量只能是h的整数倍。
图5-2电子磁矩与角动量关系
由于μS与Ps的比值比μL与PL的比值大一倍，所以合成的原子总磁矩不在总动量矩PJ的方向上。但由于μ绕PJ运动，只有μ在PJ方向的投影μJ对外平均效果不为零。根据图5-2可计算出有μJ与PJ的关系如下。
(5-3)
上式中的g就是郎德因子。它表征了原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。在考虑LS耦合的情况下，郎德因子可按下式计算。
代回(5-12)式可知
2)由分辨本领的定义可知， 的最小值由标准具的分辨本领决定
分辨本领的定义式是
并且如果已知F-P玻璃板内表面的反射率 的话，也可以用下式计算出分辨本领
结合
可得
进而
也就是说，只要知道F-P标准具的分辨本领或标准具能分辨的最小波长差，即可求出 。
2.实验中如何鉴别 成分和 成分？如何观察和分辨 成分中左旋和右旋圆偏振光？
答：
1)当 ，在垂直于磁场的方向可观察到π线，也就是光振动方向平行于磁场方向的线偏振光。而平行于磁场方向观察不到π线，即其强度为零。
2)当 ，在垂直于磁场的方向可观察到σ线，也就是光振动方向垂直于磁场的线偏振光。其中，沿磁场方向观察时， 是以磁场方向为正向的右旋圆偏振光， 是以磁场方向为正向的左旋圆偏振光。
光磁共振实验报告
实验目的1. 掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法；2. 研究原子、分子能级的超精细结构；3. 测定铷同位素87Rb 和85Rb 的g F 因子，测定地磁场的水平分量；一． 实验原理（一）．铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级实验研究的对象是铷的气态自由原子。
铷是碱金属原子，在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。
主量子数为n 的电子，其轨道量子数L=0,1,……,n-1。
基态的L=0, 最低激发态的L=1。
电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。
85Rb 和87Rb 的基态都是52s 1/2。
由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（既L —S 耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。
电子轨道角动量L P 与其自旋角动量S P的合成电子的总角动量SL J P P P +=。
原子能级的精细结构用总角动量量子数J 来标记，J=L+S ，L+S-1，…，|L-S|.对于基态， L=O 和S=1/2,因此Rb 基态只有J=1/2。
其标记为5²1/2S 。
铷原子最低激发态是3/22P 5及1/22P 5。
1/22P 5态的J=1/2， 3/22P 5态的J=3/2。
5P 于5S 能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第1条线，为双线。
它在铷灯光谱中强度是很大的。
1/22P 5→1/22S 5跃迁产生波长为06.7947A 的1D 谱线,3/22P 5→1/22S 5跃迁产生波长07800A 的2D 谱线。
原子的价电子在LS 耦合中，其总角动量J P 与电子总磁矩J μ的关系为：JJ J P m eg 2-=μ (1) )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J (2)Jg 是郎德因子，J 是电子总角动量量子数，L 是电子的轨道量子数，S 是电子自旋量子数。
核具有自旋和磁矩。
核磁矩与上述电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。
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光磁共振实验
摘要：本实验依据塞曼效应、光抽运效应、基态塞曼子能级间的光磁共振等原理，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。
关键词：光磁共振，光抽运，塞曼效应
一、引言
二、实验原理
三、实验仪器
四、实验步骤：
五、数据处理及误差分析
亥姆霍兹线圈轴中心处磁感应强度B 的计算公式为
732
16B 105
N
I T r
π-=
∙
⨯
其中r 为线圈有效半径（m ），I 为线圈电流强度（A ）。
本实验中线圈的相关参数见下表
1．地磁垂直分量测量
实验测得垂直磁场与地磁场垂直分量完全抵消时，垂直线圈电流为0.062A ，代入磁感应强度计算式中，得地磁场垂直分量
5B =1.8210T -⨯地垂直.
2.铷原子基态朗德因子F g 和核自旋量子数I 测量
水平线圈电流0.280A ，代入磁感应强度计算式中，对应的磁感应强度为
4B =1.3110T -⨯水平
（1）85
Rb 原子： 实验测得
1ν=979.4kHz 2ν=265.3kHz
与B 水平对应的频率
ν=622.35kHz
由此可以算出85
Rb 原子的
F g =0.34
I=2.45
F g 的理论值为F g 理论=1
3
，因此F g 的测量误差为
F F F g F g -g =
100%g ∆⨯理论
理论
=1.83%
I 的理论值为I 理论=2.5，因此I 的测量误差为
I I-I
=100%I ∆⨯理论
理论
=2.16%
（2）87Rb 原子：
实验测得
1ν=1460.6kHz
2ν=392.8kHz
与B 水平对应的频率
ν=926.7kHz
由此可以算出87Rb 原子的
F g =0.51
I=1.48
F g 的理论值为F g 理论=0.5，因此F g 的测量误差为
F F F g F g -g =100%g ∆⨯理论
理论
=1.08%
I 的理论值为I 理论=1.5，因此I 的测量误差为
I I-I
=100%I ∆⨯理论
理论
=1.43%
3.地磁场的水平分量B 地水平和倾角θ的测量
水平线圈电流0.280A ，对应的磁感应强度为4B =1.3110T
-⨯水平
（1）85Rb ：
3ν=485.9kHz
与B 地水平对应的频率为
ν=246.75kHz
计算得
5B =5.2910T -⨯地水平
（2）87Rb ：
3ν=725.9kHz
与B 地水平对应的频率为
ν=367.35kHz
计算得
5B =7.8710T -⨯地水平
两者取平均值，得
5B =6.5810T -⨯地水平
前面已经测得
5B =1.8210T -⨯地垂直
所以
B 地=5
6.8310T -⨯ 倾角为B tan =B θ地垂直
地水平
=0.277
本实验误差的主要来源：
1. 本实验测量过程中，实验室内还在进行塞曼效应的实验，其使用的强磁场对本实验中磁共振频
率的测量产生了干扰；
2. 示波器信号飘忽不定，使磁共振频率的测量存在读数误差；
3. 遮光布遮光不充分，外界光透入对测量产生干扰。
六、思考题
1.为什么实验要在抵消地磁场垂直分量状态下进行？
用垂直磁场线圈抵消地磁场的垂直分量是为了消除地磁场在垂直方向上对实验的影响，如 不抵消，实验效果将不明显，导致误差较大，甚至观察不到信号。
2.扫场在实验中的作用是什么？
扫场起到中介的作用，使得在求F g 时消除地磁场水平分量的影响。
3.测量F g 值时，将水平场换向得到的频率为12
=2ννν+，为什么不是12
=2ν
νν-？
因为水平磁场和扫场的方向相同，在推得 F g 的表达式时，相加消去扫场与地水平磁场 得到的是12
=2ννν+。
参考文献
[1]黄润生，沙振舜，唐涛等，近代物理实验（第二版），南京大学出版社，2008.。