光泵磁共振实验报告

学生实验报告
内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得
一、实验目的：
1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解；
2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子；
3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场。

二、实验使用仪器与材料：
数字示波器、光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、频率计、DHg07A型光磁共振实验装置电源。

（核磁共振仪器连线图）
三、实验步骤：
1．仪器调整
（1）揿进预热键，加热样品吸收泡约5０℃并控温，同时也加热铷灯约９０℃并控温，约3０分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。

（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。

（３）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。

2．观测光抽运信号
（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。

当判断某一场时应将另两个场置于零，判
断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。

（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特
别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。

同时旋转１
／４波片，可获得最佳光抽运信号（图３．2- ４）。

扫场是一交流调制场。

当它过零并反向时，分裂的塞曼子能
级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子
布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。

扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。

当地磁场的垂直分
量被垂直场抵消时将出现最佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。

３．测量基态的值
由磁共振表达式得
(4)
υ可由频率计给出，因此如知便可求出。

此处是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以测知的水
平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。

实验采用将水平场换向的方法来消除地磁水平分量和扫场直流分
量。

先将水平场和扫场与地磁场水平方向相同，扫场为三角波，水平场电压调到一定值。

调节射频信号频率，发
生磁共振时将观察到图３．2-5 ａ波形，此时频率为1（对应于总场为1），再改变水平场方向，仍用上述方法得到频率 2 （对应于总场为 2 ），如图３．2-5 ｂ所示。

这样就排除了地磁场水平分量和扫场直流分量的影响。

而水平场对应的频率为＝（1＋ 2 ）／2，水平磁场的数值可由水平电压和水平亥姆霍兹线圈的参数来确定。

由于与的值不同，根据对的／Ｈ，对的／Ｈ可知，当水平场不变时，频率高的为共振信号，频率低的为共振信号；当射频不变时，水平磁场大的为共振信号，水平磁场小的为共振信号。

还要注意的是，因为三角波扫场的波峰和波谷处的磁场强度不同，故对每一同位素将分
别在波峰和波谷处观察到不同频率的磁共振信号。

上述实验是固定水平磁场调节射频频率的方法（调频法），还
可以采用固定射频频率调节水平磁场的方法（调场法）进行。

４．测量地磁场
同测方法类似，先使扫场、水平场与地磁场水平分量方向相同测得，然后同时改变扫场和水平场的方向测得，这样得到地磁场水平分量对应的频率为，即排除了扫场和水平场的影响，从而得到, 而已在实现最佳光抽运信号时测知，由此可得地磁场的大小和方向：
．．．．．．（ 5）．．．．．．（6）四、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）：
（核磁共振实验仪图）（光抽运信号图）
（核磁共振图像（1），1 =9.71 ×1000kHz）（核磁共振图像（2），2=10.84 ×1000kHz）实验参数
核磁共振图像（1）
9.71 ×100kHz
1
核磁共振图像（2）
10.84 × 100kHz
2
垂直场电磁场 B10.053T
加在线圈上的水平直流电I 00.464A
线圈的有效半径 r0.2376m
线圈每边的匝数 N250
（1）理论上的朗德因子g F计算：
g F
F(F1)J( J1)I (I1)
g J
2F(F1)，（1）
g J
J(J1)L (L1)S(S1)
1
2J(J1)（ 2）
1、计算 87
Rb 理论上的朗德因子
g F
，
对于
87
Rb ， 在原子态
2
1 中，核自旋量子数
I=3/2 ； 87
Rb 基态原子角动量的量子
数
F ：F=2 电子
5 S 2
的轨道量子数 L=0，电子的自旋角动量量子数
S= 1
，电子总角动量的量子数
J=1。

2
2
J(J
1) L (L
1) S(S 1)
1 (
1
1) 0 (0 1)
1 ( 1
1)
g J 1
2
2
2
2
2
1
2J(J
1)
2
1 ( 1 1)
2 2
F(F 1) J(J 1) I( I 1)
2 (2 1) 1 (
1
1)
3 (
3
1)
1
g
F87
2
2 2
2 2
g J
2F(F 1)
2 2 (2 1)
2
2、计算
85
Rb 理论上的朗德因子
g F
2
对 85
Rb
，在原子态
5 S 12
中，核自旋量子数 I = 5/2 ；
85
Rb 基态原子角动量的量子数
F ：F=2 ；电子的
轨道量子数 L=0，电子的自旋角动量量子数
S= 1
，电子总角动量的量子数
J=1。

2
2
J(J 1) L (L 1)
S(S 1)
1 (
1
1) 0 (0 1)
1 (
1
1)
g J
1 2
2
2
2
2
1
2J(J 1)
2 1 ( 1 1)
22
F(F 1) J(J 1) I(I
1)
2 (2 1) 1 (
1
1)
5 (
5
1)
1
g
F85
2
2
2
2
2
g J
2F(F 1)
2 2 (2 1)
3
（2） 实际上测出理论上的朗德因子
g F
，
h
根据实验原理可知，铷原子的
g F 为 g F
B
B
共振
其中 h 为普朗克常数，
B 为玻尔磁子， ν 为射频频率。

h 6.626 10 34 J s
B
e 9.2741 10 24 J T 1
2m
B
共振
4.496 N V 10 7 4.496
N
r I 10 7 4.496 250 0.464 10 7
2.195 10 4T
r R
0.2376
( 1
2)
2 (9.71 100 10.84
100)
2 1.0275 10
3 kHz
g F
实
h
6.626 10 34 1.0275 103 10 3
B
B
共振
9.2741 10 24
2.195
10
4
0.33445
因为
g F
实
0.33445
1 ,
即
g F 实
g
F 85
，当出现该共振信号时，为
85
Rb 信号。

3
g F
85
1
( Rb)
(
87 Rb)
3
100%
0.335% 5%
1
3
五、实验结果与分析：
本实验我们通过 DH807型光泵磁共振的实验装置观察了铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号， 并通过测量得到
了下列的数值。

1. 理论得到的
87
Rb 的 gF=0.50000 ；
2. 实验得到的 85
Rb 的
g F
实
0.33445 ，与理论值的误差为 0.335%。

符合实验要求。

六、思考题：
1、找和观察光抽运信号时，一开始可能找不到光抽运信号，试分析有哪几种可能的原因。

答：可能有四种原因：
（ 1）仪器未充分预热；
（ 2）可能是没有把水平磁场的方向调到与地磁场水平分量相反； （ 3）电场电流设置不正确；
（ 4）没有加上遮光罩。

2. 实验为了观察磁共振信号，在恒定磁场上叠加了直流分量不为零的三角波磁场信号，如果恒定磁场、地磁场的水平分量和三角波磁场的方向组合合适，有时也会出现光抽运信号。

这样产生的光抽运信号和磁共振信号有什么
不同？如何区别？如何避免在观测磁共振信号时出现光抽运信号？
答：该光抽运信号当磁场频率改变时信号变化不大，可以调节频率用以区别。

为了避免出现这种情况的出现，实验时需要先从低电流时的反向频率测起，保证在此时不会过零，这样才能保证以后测量数据的正确性。

3. 实验装置中为什么要用垂直磁场线圈抵消地磁场的垂直分量？不抵消会有什么不良后果？
答：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。

4. 试计算出 87Rb 和 85Rb 的 gF 因子理论值。

答：（1）对于 87
Rb ，在原子态
2
中，核自旋量子数
I =3/2 ； 87
Rb 基态原子角动量的量子数
F ：F=2 电
5 S 21
子的轨道量子数
L=0，电子的自旋角动量量子数 S=
1
，电子总角动量的量子数 J=
1。

2
2
J(J 1) L (L
1) S(S 1)
1 (
1
1) 0(01)
1 (
1
1)
g J
1
1 2
2
1 1
2 2
2
2J(J
1)
2
1)
(
2
2
2
( 2
1)
1
1
1)
3
3 1)
F(F 1)
J(J 1) I( I 1)
(
(
1
2 2
2 2
g
F87
g J
2
2F(F
1)
2 2 ( 2 1)
2
（2）对 85 Rb ，在原子态
2
中，核自旋量子数 I=5/2
； 85 R b 基态原子角动量的量子数
F ：F=2
；电子
5 S 21
的轨道量子数 L=0，电子的自旋角动量量子数
S= 1
，电子总角动量的量子数
J=1。

2
2
J(J 1)
L ( L 1) S(S 1)
1 (
1
1) 0(01)
1 (
1
1)
g J 1
1
2
2
1 1
2
2
2
2J(J
1)
2
1)
2
(
2
F(F 1)
J( J
1) I(I 1)
2(21)
1 (
1
1) 5 (
5
1)
1
g
F85
2
2
2
2 2
g J
2F(F
1)
2 2 ( 2
1)
3
5. 铷原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振信号用什么方法检测的？实验过程中如何区分 87
Rb 和 85 Rb 的磁共振
信号？
答：（ 1）铷原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振信号采用在光抽运的基础上，施加一恒定磁场的 B 0 的射频场
B 1 作用于样品， 并采用三角波作扫场。

对应于射频场 B 1 的频率 值，调节 B 0 大小使满足磁共振条件 h =g F
B
B 0 ，
便可观测到光汞磁共振信号。

（2）共振频率与磁场的关系为
87
Rb ：
0.7006 104 B
； 85Rb ：
0.7006 104 B
，因此对与同一磁
场值，两种同位素的共振磁场是不一样， 即可以先固定某一频率，
在由小到大调节 B 0 ，会先后两次出现共振信号，
根据上两式，即可区分
87
Rb 和 85 Rb 的磁共振信号。

6. 测定的 gF 因子的方法是否受到地磁场和扫场直流分量的影响？为什么？ 答：测定的 gF 因子的方法是受到地磁场和扫场直流分量的影响很大的影响， （ 1）因为本测定方法是在弱磁场作
用下进行的，地磁场水平分量和扫场直流分量的影响相对于其弱磁场是比较大的。

（2）观测到的扫场较弱，而地
磁场的大小也足可以产生很大影响。

因此，在装置上，才要消除这种系统误差。

七、实验心得
通过本次实验，我了解了光泵磁共振原理，观察铷原子光抽运信号，加深了对原子超精细结构的理解 , 和知道如
何测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子
, 并学会利用光磁共振的方法测量地磁场。