实验（ ）                光磁共振               

一、【实验目的】

1. 加深原子超精细结构的理解，了解光泵磁共振的基本原理；

2．了解光抽运的物理过程，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法；

3．掌握消除地磁场影响，测定气态铷原子g因子的方法。

二、【实验仪器】

光磁共振实验系统(型号 DH807A,编号:             )

二踪示波器(型号 YB4365,编号:            )

函数任意波信号发生器(型号 YB33200,编号:          )  

     三、【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5²S_1/2， 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）。

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D₁和D₂线，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm。

    原子的价电子在LS耦合中，总角动量P_J与总磁矩μ_J的关系为

   

其中,称为郎德因子，m是电子质量，e是电子电量。核具有自旋和磁矩，核磁矩与上述电子的总磁矩相互作用会造成能级的进一步分裂，称为超精细结构。

原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量P_I和核外电子的角动量P_J耦合成一个更大的角动量，用符号P_F表示，其量子数用F表示，则

   与此角动量相关的原子总磁矩为

 其中 

              

在有外磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，由于总磁矩与磁场B的相互作用，超精细结构中的各能级会进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级，使原子产生附加的能量：

         

其中称为玻尔磁子，Ｍ_Ｆ＝－Ｆ，－Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值。我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随Ｍ_Ｆ变化，原来对Ｍ_Ｆ简并的能级发生分裂，

在磁场中，铷原子的超精细结构会产生塞曼分裂。一个Ｆ能级分裂成２Ｆ＋１个子能级，相邻的子能级的能量差为：

 2、光的抽运

气态原子⁸⁷Rb受具有角动量的左旋圆偏振光照射时，处于磁场环境中的铷原子对光的吸收遵从跃迁选择定则

      ；  

在由能级到能级的激发跃迁中，由于光子的角动量为只能产生的跃迁。因此，基态中子能级上的粒子就不能向上跃迁，

在由到的向下跃迁中（发射光子），，各子能级上的跃迁都是允许的。经过多次上下跃迁，基态中子能级上的粒子数只增不减，这样就增大了粒子布居数的差别。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，最后粒子都分布在基态的子能级上。原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子数增多，称为光抽运。光抽运的目的是要造成基态能级中粒子数的偏极化，实现了粒子数的偏极化后就可以在子能级间进行磁共振跃迁实验了。

3、磁共振和光检测

在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率ν，使之满足

                              

这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于子能级上的原子会放出一个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到的子能级，上的原子数就会减少；同样，子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到M_F=0的子能级上……如此下去，5S态的上面5个子能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。

    粒子产生共振跃迁必然造成偏激化状态被破坏，从而会增大对光的吸收，透过样品泡的光必然减弱，只要检测透射光的强弱变化即保检测到共振信号，光一方面起到光抽运作用，同时又起到检测共振信号的作用。光信号检测的方法巧妙地把一个频率很低的射频率量子转换为一个频率很高的光频量子的变化，使信号的功率提高了7-8个数量级，大大提高了信号的强度。

四、【实验内容或步骤】

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 需30分钟温度稳定，按下工作键，此时铷灯应发出攻瑰紫色光。
(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 达光电池的光通量最大。
(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。
(2)不开射频振荡器，扫场选择" 方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场与地磁场的 水平分量相反，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。

3. 测量基态的g_F
    由磁共振表达式得 g_F=hν/μ_BH
ν可由频率计给出。因此，如知H便可求出g_F，此处H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。
    先使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5(a)波形，此时频率为ν₁（对应于总场为H₁）．再改变水平场方向，仍用上述 方法得到频率ν₂(对应于总场为H₂），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ν=(ν₁+ν₂)/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。

五、数据分析：

    磁场方向:

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相反

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相同

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相同

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相反

   共振频率:

             扫场、水平场方向均与地磁场水平方向分量相同

                         

              扫场方向均地磁场水平方向分量相同,水平场方向相反

                            

                                  

            

G因子

水平场线圈匝数:N=250

水平场线圈有效半径:r=0.239m

通过水平场线圈的电流:I=0.245A

水平场磁感应强度:

  

       

  

       

理论值:      

:             

       误差:

六、结论与分析

     结论:

     误差原因:

                       温州大学实验原始数据记录纸                                  

磁场方向:

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相反

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相同

        水平场: 开关按出 方向与地磁场水平方向分量相同

                开关按进 方向与地磁场水平方向分量相反

光抽运信号:

 

共振频率:

       扫场、水平场方向分量均与地磁场水平方向分量相同

                 

                 

                                                                                  

实验指导教师：                              日期：        年    月    日

第二篇：铁磁共振实验报告

一、实验背景

早在19xx年，著名苏联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 1908—1968）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性．经过十几年，在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振吸收现象，后来波耳得（Polder）和侯根（Hogan）在深入研究铁磁体的共振吸收和旋磁性的基础上，发明了铁氧体的微波线性器件，使得铁磁共振技术进入了一个新的阶段．自20世纪40年代发展起来后，铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振等一样，成为研究物质宏观性能和用以分析其微观结构的有效手段．

微波铁磁共振现象是指铁磁介质处在频率为?0的微波电磁场中，当改变外加

恒定磁场H的大小时，发生的共振吸收现象．通过铁磁共振实验，我们可以测量微波铁氧体的共振线宽、张量磁化率、饱和磁化强度、居里点等重要参数．该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方面有着重要的应用价值．

二、实验目的

1．了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术．

2．掌握铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象．

3．测量微波铁氧体的共振磁场B，计算g因子．

三、实验原理

1.磁共振

自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩．如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为: ?E??hB02? （1）

（其中，?为旋磁比，h为普朗克常数，B0为稳恒外磁场）． eeh?B0?g?BB0．，故?E?g（其中，g即为要求的朗德g

2me2me2?

?24?1eh因子，其值约为2．?B?为玻尔磁子， 其值为9.274?10J?T ） 4me?又有??g

若此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为

E外?h? （2）

其中，?为交变电磁场的频率．

当该能量E外等于粒子分裂后两能级间的能量差?E时，即：

h??g?BB0 （3）

低能级上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振．

2.铁磁共振

铁磁共振实际上就是铁氧体原子的电子自旋顺磁共振，在相同的外磁场中电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍．所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量大的多，因此我们可以用微波（约?=9GHZ）来提供电子跃迁所需

的能量．

在实验中微波的频率是固定的，其在谐振腔中样品处的能量h?也是固定的．要产生磁共振电子能级间的能量差?E??hB0必须等于该值．我们改变励2?

磁电流值，使外磁场磁感应强度B0变化，因而使电子能级间的能量差?E??hB0随之改变，当其接近于微波能量值h?时，电子就要吸收微波磁场2?

的能量，产生铁磁共振，表现为检波器的输出电流减小，电流最小值对应的外磁场B为谐振时的磁感应强度值B?，此时等式h??g?BB 成立，B由特斯拉计测出，?由波长表可读出，h、?B为常数，则 g?h?． ?BB

3.输出电流最小值对应的磁场强度为磁共振时的磁场强度值的原理

由图一

图一

- 1 -

检波二极管输出的电流正比与其输入微波功率，改变外磁场B实际上改变粒子两能级间的能量差g?BB0，当它不等于粒子处微波能量h?时，粒子不吸收微波能量，微波可完全越过粒子到达二极管，使其输出一个较大的电流．继续调节B，当粒子两能级间的能量差g?BB0等于粒子处微波能量h?时，粒子吸收微波能量使输出电流减小，其最小值对应的外磁场B?即为磁共振时的磁场强度值．

四、实验步骤

1．开启速调管，将电源工作方式选择在等幅状态下，预热十分钟．

2．把谐振腔移出电磁铁，并把微安表接在晶体检波器的输出端．

3．通过调节速调管电源上的电压及频率调节钮使得微安表读数最大，使得通过谐振腔后的功率输出最大，即通过式谐振腔处于谐振状态．并调整可变衰减器使得微安表的指针位于刻度表的2/3量程处左右．

4．调节波长表使得微安表读数达到最小值，读取波长表的刻度值，得微波频率?．

5．把装置推入电磁铁，保持样品处于磁场中央，调节电磁铁电流，使得微安表读数最小，这时处于共振状态，记录下此时的磁场强度B．

6．记录数据，计算g因子的值．

五、实验仪器及注意事项

1.

实验仪器

a.样品为铁氧体，提供实验用的铁原子．

b.电磁铁，提供外磁场，使铁原子能级分裂．

c.微波，提供能量，使低能级电子跃迁到高能级．

- 2 -

d.波导，单方向传导微波，使其通过样品．

e.波长表，测量微波的波长．

f.谐振腔，其谐振频率与微波的频率相等，进入的微波与其谐振，样品放在波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直．

g.固体微波信号源，产生9GHZ左右的微波信号．

h.隔离器，使微波只能单方向传播．

i.衰减器，控制微波能量的大小．

j.输出端，含有微波检波二极管，其输出电流与输入的微波功率成正比． k.直流磁场电压源，给电磁铁提供励磁电流，改变输出电压的大小即可改变磁场的大小．

l.微安表，指示检波电流的大小．

2.注意事项

1.预热后立马开始实验．

2.注意特斯拉计的正确使用．

3.样品腔要与电磁铁两极平行．

六、实验数据记录及处理

1.共振磁场强度B?(I=1.97A , ?=9.557GHz)

B??Bi?155

5?344.0mT

51由不确定度公式得，A类不确定度?a=[?(Bi?B)2]=4.5mT 5?(5?1)i?1

B类不确定度?b=0.1mT

?B??b2??a2=4.5mT

所以，B?B??B=344.0?4.5mT．

2.g因子计算

- 3 -

h?6.626?10?34?9.557?109

g???1.985 ?BB344.0?10?3?9.274?10?24

??lnf?2dlng?Bg的不确定度?g????(x)??B??0.013 i??xdBBi?1?i?n2

所以，g?1.985?0.013 相对误差E?

g?g理论g理论?100%?0.75%（取g理论值为2.000）．

七、误差分析

本实验的g因子误差为0.75%，在正常范围内．g因子的误差主要来源是谐振频率的测量误差和共振磁场的测量误差．

谐振频率的测量误差主要来自波长计自身误差和读数误差．在一定的读数范围内微安表的数值都为最小值，所以最小值点对应的频率值会有偏差，但由此造成的误差并不大．

共振磁场强度的测量误差主要来自特斯拉计的读数误差和电磁场的不稳

定．特斯拉计读数时波动较大，且由于测量端面与磁场方向并不严格垂直，都会造成误差，而各次特斯拉计在磁场中的位置不同也会使读数变化较大．而电磁场随时间而变小，故要尽可能迅速地测量．

八、实验心得

第一次自主性实验，虽然仍有前人的经验经历可以参考，但与之前做的物理实验相比，这次实验的自主性大大加强了，从中学到了很多，收获颇丰．

一开始很好奇，小课题和其他普通实验有什么区别，以为自己要做大量的实验采集大量的数据做统计分析．这一番下来，其实不然．个人觉得我们的这组小课题并不是实验规模的扩大，而是对查阅文献、实验故障排除的能力训练．

实验初期是对课题资料的搜集，网上、图书馆资料很多，但真正对实验有用并且我要能理解的就不多了．我找了科学出版社的一本《铁磁学（下册）》和一本《凝聚态磁性物理》，看了“磁化强度的一致进动和铁磁共振”和“旋磁性和铁磁共振”等章节，但针对性都不强．之后在网上找了很多类似实验的实验报告和实验操作视频，方才对实验原理、步骤等有了一定的了解．

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进入正式实验阶段后，才发现实验仪器状态和原先预想的有很大的偏差．可能是以前小实验中，指导老师会帮助调试仪器，做几个实验数据回去处理分析就好了．而这次，仪器要自己调试，一上手就大手大脚地来，结果微安表根本没有读数显示，就怀疑是仪器问题或是方法不对．在得到老师微安表出错几率很小的反馈后，开始细心地调节仪器．这其间，我们也拆下过检波器，直接与信号发生源相连，确认了微安表与检波器可以正常工作．在反复地调节下，终于完成了测量，真有种“千年的等待，只为这一瞬的绽放”的感觉．

从资料搜集到开展实验再到报告总结，这个过程让我知道了自己在查找文献、具体实验等方面锻炼的欠缺．最大的收获就是实验一定要有耐心，要对自己和仪器有信心．在确认实验方法正确的前提下，要学会检查仪器是否正常．每一点微小的偏差都可能引起实验结果很大的偏差甚至得不到任何结果，所以实验操作一定要到位．这次实验可以说是给以后真正的科研做的铺垫．它不仅仅是对我实验技能的培养，更是让我对实验态度有了一个新认识．

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