光磁共振实验报告(3200字)

发表于:2020.10.19来自:www.fanwen118.com字数:3200 手机看范文

光磁共振实验报告

11180226 艾孜买提江·艾沙江

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(Rb85,Rb87)的超精细结构塞曼子能级的朗德g因子。

关键词:

光抽运、塞曼分裂、铷原子、偏极化

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。19xx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19xx年度的诺贝物理奖。

一.实验原理

1.铷原子基态及最低激发态的能级结构及塞曼分裂

铷原子的电子进行L—S耦合,产生精细结构。基态:L=0,S=J=1/2;第一激发态:L=1,S=J=1/2跃迁的谱线见书,不赘述。

由于铷原子核自旋I不为0,核自旋角动量和电子的总角动量再进行J—J耦合,产生基态为F=1和F=2的超精细结构。

在磁场中,原子的超精细结构能级产生塞曼分裂,分裂后能级磁量子数由-F到F共2F+1个能级间隔基本相等的塞曼子能级。

2.光抽运效应

一般情况下,即热平衡状态下的铷原子遵从Boltzmann分布,如果用射频电磁场诱导子能级间共振跃迁,由于塞曼能级的能量差非常小,很难检测到原子的这种磁共振跃迁。如果用圆偏振光激发铷原子,就能使塞曼能级间的粒子数差比Boltzmann分布形成的粒子数差大几个数量级,造成铷原子的偏极化。

光抽运即用左旋偏振光照射气态铷原子,根据光的选择定则,基态中能级上的粒子会越来越多,形成粒子数的偏极化。当使用右旋偏振光照射样品时,那么会产生相反的效果,所以不能使用线偏光(等量左旋偏振光和右旋振偏光的叠加)进行实验;使用椭圆偏振光(不等量左旋偏振光和右旋振偏光的叠加)、Pi光亦不能产生抽运效应。

亦必须考虑弛豫过程,即:

(1)铷原子和容器壁的碰撞;

(2)铷原子之间的碰撞。

这二者均会使得铷原子失去偏极化效果,所以要充入缓冲气体,以增加弛豫过程。

3.塞曼子能级之间的磁共振和光探测

在样品上垂直于恒定磁场加一射频场,如果频率满足共振条件,铷原子基态超精细塞曼子能级间会发生感应磁跃迁,由于光抽运效应的存在,铷原子又会回到磁量子数为2的子能级上,于是感应磁跃迁与光抽运效应达到一种平衡。

由于共振时对D1光的吸收增加,所以可以通过对透射光强变化的测量得到磁共振信号,实现了磁共振的光测探。

二、实验仪器

光磁共振实验报告

由主体单元(铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈)、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。

三.实验方法

1.仪器的调节

①在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。再用指南针确定地磁场方向,主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。用指南针确定水平场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系,并作详细记录。

②将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小,按下辅助源的池温开关,接通电源开关。开射频信号发生器、示波器电源。电源接通约三十分钟后,铷光谱灯点燃并发出紫红色光,池温灯亮,吸收池正常工作,实验装置进入工作状态。

③主体装置的光学元件应调成等高共轴。

调整准直透镜以得到较好的平行光束,通过铷样品泡并射到聚光透镜上。铷灯因不是点光源,不能得到一个完全平行的光束,但仔细调节,在通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大,便可得到良好的信号。

④调节偏振片及1/4波片,使1/4波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为π/4以获得圆偏振光。

写出调节步骤和观察到的现象。

2.光抽运信号的观察

扫场方式选择“方波”,调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边,设置扫场方向与地磁场方向相反,然后拿开指南针。预置 垂直场电流为0.07A左右。用来抵消地磁场分量。然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向,使光抽运信号幅度最大。再仔细调节光路聚焦,使光抽运信号幅度最大。

光抽运信号波形

扫场波形

光磁共振实验报告

光磁共振实验报告

图1(扫场波形中要加电场为零的纵轴线)

铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间,基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡,即各子能级上的粒子数大致相等。 因此这一瞬间有总粒子数7/8的粒子在吸收D1?光,对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到MF=+2子能级上,能吸收σ的光粒子数减少,透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到MF=+2子能级上的粒子数达到饱和时,透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零(指水平方向的总磁场为零)然后反向时,各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化,所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等,对D1?光的吸收又达到最大值,这样就观察到了光抽运信号,如图1

3.磁共振信号的观察

扫场方式选择“三角波”,将水平场电流预置为0.7A左右,并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针判断)。垂直场的大小和偏振镜的角度保持前面的状态不变。调节射频信号发生器,频率可以观察到共振信号如图2,对应波形,可读出频率?1及对应的水平场电流I。再按动水平场方向开关,使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。同样可以得到?2。这样水平磁场所对应的频率为??(?1??2)2,即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。

用三角波扫场法观察磁共振信号时,当磁场B0值与射频频率?0满足共振条件式时,铷原子分布的偏极化被破坏,产生新的光抽运。因此,对于确定的频率,改变磁场值可以获得Rb或Rb的磁共振。可得到磁共振信号的图像。对于确定的磁场值(例如三角波中的某一场值),改变频率同样可以获得Rb或Rb的磁共振。实验中要求在选择适当频率(600KHz)及场强的条件下,观察铷原子两种同位素的共振信号并详细记录所有参量。 8785?+?8785

4.测量gF因子

为了研究原子的超精细结构,测准gF因子时很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心处的磁感强度为式中N为线圈匝数,r为线圈有效半径(米),

H

I B?

16πN

I?10?7 5r

I为直流电流(安)。B为磁感强度(特斯拉),式hv= gFuBBh??gF?BB?中,普朗克常数h=6.626×10焦耳秒,玻尔磁子uB=9.274×10焦耳/特斯拉。利用两式可以测出gF因子值。要注意,引起塞曼能级分裂的磁场是水平方向的总磁场(地磁场的竖上分量已抵消),可视为B=B水平+ B地+ B扫,而B地、B扫的直流部分和可能还有的其它杂散磁场,所有这些都难以测定。这样给直接测量gF因子带来困难,但只要参考霍尔效应实验中用过的换向方法,就不难解决了。测量gF因子实验的步骤自己拟定。

有实验测量的结果计算出Rb或Rb的gF因子值。计算理论值并与测量值进行比较。

87

85

-34

-24

四.实验数据

光磁共振实验报告

光磁共振实验报告

以上表格中g~0.5是Ru87,g~0.33是Ru85

五.实验总结

在整个实验过程中了解到了光磁共振的原理以及实验器材。很好的掌握了实验操作顺序。在整个实验过程中没有出现异常,还算比较顺利。




第二篇:顺磁共振实验报告 4200字

顺磁共振实验报告

代物理实题目 微波顺磁共振 学院 数理与信息工程学院 班级 物理071班 学号 姓名 指导教师 验

浙 江 师 范 大 学 实 验 报 告

实验名称 微波顺磁共振 班 级 物理071 姓名 骆宇哲 学号 07180132 同 组 人 实验日期 10/04/29 室温 气温

微波顺磁共振

摘 要:电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中,因此被称为电子顺磁共振;因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多,在同样的磁场下,电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象,本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。

关键词: 顺磁共振 自旋g因子 检波

引 言: 顺磁共振(EPR)又称为电子自旋共振(ESR),这是因为物质的顺磁性主要来自电子的自旋。电子自旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。顺磁共振技术得到迅速发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域。电子自旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率,能深入物质内部进行超低含量分析,但并不破坏样品的结构,对化学反应无干扰等优点,对研究材料的各种反应过程中的结构和演变,以及材料的性能具有重要的意义。研究了解电子自旋共振现象,测量有机自由基DPPH的g因子值,了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用,从矩形谐振长度的变化,进一步理解谐振腔的驻波。

实验方案

实验原理

一、电子的自旋轨道磁矩与自旋磁矩

原子中的电子由于轨道运动,具有轨道磁矩,其数值为:

e

2me?l??Pl 负号表示方向同Pl相反

顺磁共振实验报告

在量子力学中Pl?

e,因而

顺磁共振实验报告

顺磁共振实验报告

?l??B 其中?B?e?2me称为玻尔磁子。

电子除了轨道运动外还具有自旋运动,因此还具有自旋磁矩,

顺磁共振实验报告

其数值表示为:?s??emePs?

由于原子核的磁矩可以忽略不计,原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩:?j??ge2mePj 其中g是朗德因子,g?1?j(j?1)?l(l?1)?s(s?1)2j(j?1)

在外磁场中原子磁矩要受到力的作用,其效果是磁矩绕磁场的方向作旋进,也就是Pj绕着磁场方向作旋进,引入回磁比???ge

2me,总磁矩可表示成?j??Pj。同时原子角动

量Pj和原子总磁矩?j取向是量子化的。Pj在外磁场方向上的投影为:

Pj?m? m?j,j?1,j?2,??j

其中m称为磁量子数,相应磁矩在外磁场方

?j??m???mg?B m?j,j?1,j?2,??j

二、电子顺磁共振

原子磁矩与外磁场B相互作用可表示为:E???j?B??mg?BB???m?B

不同的磁量子数m所对应的状态表示不同的磁能级,相邻磁能级间的能量差为?E???B,它是由原子受磁场作用而旋进产生的附加能量。

如果在原子所在的稳定磁场区又叠加一个与之垂直的交变磁场,且角频率?满足条件 ???g?BB即????E???B,刚好满足原子在稳定外磁场中的邻近二能级差时,二邻近能级之间就有共振跃迁,我们称之为电子顺磁共振。

当原子结合成分子或固体时,由于电子轨道运动的角动量常是猝灭的,即Pj近似为零,

所以分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。根据泡利原理,一个电子轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子,若电子轨道都被电子成对地填满了,它们的自旋磁矩相互抵消,便没有固有磁矩。通常所见的化合物大多数属于这种情况,因而电子顺磁共振只能研究具有未成对电子的特殊化合物。

三、弛豫时间

实验样品是含有大量具有不成对电子自旋所组成的系统,虽然各个粒子都具有磁矩,但是在热运动的扰动下,取向是混乱的,对外的合磁矩为零。当自旋系统处在恒定的外磁场H0中时,系统内各质点的磁矩便以不同的角度取向磁场H0的方向,并绕着外场方向进动,从而形成一个与外磁场方向一致的宏观磁矩M。当热平衡时,分布在各能级上的粒子数服从波耳兹曼定律,即:

N2

N1?exp(?E2?E1kT)?exp(??EkT)

式中k是波耳兹曼常数,k=1.3803×10-16(尔格/度),T是绝对温度。计算表明,低能级上的粒子数略比高能级上的粒子数多几个。这说明要现实出宏观的共振吸收现象所必要的条件,既由低能态向高能级跃迁的粒子数比由高能级向低能级跃迁的粒子数要多是满足的。

正是这一微弱的上下能级粒子数之差提供了我们观测电子顺磁共振现象的可能性。 实验装置

微波顺磁共振实验系统由三厘米固态信号发生器,隔离器,可变衰减器,波长计,魔T,匹配负载,单螺调配器,晶体检波器,矩形样品谐振腔,耦合片,磁共振实验仪,电磁铁等组成,为使联结方便,增加了H面弯波导,波导支架等元件

三厘米固态信号发生器:是一种使用体效应管做振荡源的信号发生器,为顺磁共振实验系统提供微波振荡信号。

隔离器:位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收,经过适当调节,可使其哦对微波具有单方向传播的特性。隔离器常用于振荡器与负载之间,起隔离和单向传输作用。

可变衰减器:把一片能吸收微波能量的吸收片垂直与矩形波导的宽边,纵向插入波导管即成,用以部分衰减传输功率,沿着宽边移动吸收可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。

波长表:电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中,当频率计的腔体失谐时,腔里的电磁场极为微弱,此时,它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时,发生谐振,反映到波导中的阻抗发生剧烈变化,相应地,通过波导中的电磁波信号强度将减弱,输出幅度将出现明显的跌落,从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度,通过查表可得知输入微波谐振频率。

匹配负载:波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料,它几乎能全部吸收入射功率。

微波源:微波源可采用反射式速调管微波源或固态微波源。本实验采用3cm固态微波源,它具有寿命长、输出频率较稳定等优点,用其作微波源时,ESR的实验装置比采用速调管简单。因此固态微波源目前使用比较广泛。通过调节固态微波源谐振腔中心位置的调谐螺钉,可使谐振腔固有频率发生变化。调节二极管的工作电流或谐振腔前法兰盘中心处的调配螺钉可改变微波输出功率。

魔 T:魔 T是一个具有与低频电桥相类似特征的微波元器件,如图(2)所示。它有四个臂,相当于一个E~T和一个H~T组成,故又称双T,是一种互易无损耗四端口网络,具有“双臂隔离,旁臂平分”的特性。利用四端口S矩阵可证明,只要1、4臂同时调到匹配,则2、3臂也自动获得匹配;反之亦然。E臂和H臂之间固有隔离,反向臂2、3之间彼此隔离,即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出,只能从旁臂输出。信号从H臂输入,同相等分给2、3臂;E臂输入则反相等分给2、3臂。由于互易性原理,若信号从反向臂2,3同相输入,则E臂得到它们的差信号,H臂得到它们的和信号;反之,若2、3臂反相输入,则E臂得到和信号,H臂得到差信号。

当输出的微波信号经隔离器、衰减器进入魔 T的H臂,

同相等分给2、3臂,而不能进入E臂。3臂接单螺调配器和终

端负载;2臂接可调的反射式矩形样品谐振腔,样品DPPH在

腔内的位置可调整。E臂接隔离器和晶体检波器;2、3臂的

反射信号只能等分给E、H臂,当3臂匹配时,E

顺磁共振实验报告

臂上微波功率

仅取自于2臂的反射。 右图 魔T示意图

样品腔:样品腔结构,是一个反射式终端活塞可调的矩型谐振腔。谐振腔的末端是可移动的活塞,调节活塞位置,使腔长度等于半个波导波长的整数倍(l?p?g/2)时,谐振腔谐振。当谐振腔谐振时,电磁场沿谐振腔长l方向出现P个长度为?g/2的驻立半波,即TE10P模式。腔内闭合磁力线平行于波导宽壁,且同一驻立半波磁力线的方向相同、相邻驻立半波磁力线的方向相反。在相邻两驻立半波空间交界处,微波磁场强度最大,微波电场最弱。满足样品磁共振吸收强,非共振的介质损耗小的要求,所以,是放置样品最理想的位置。 在实验中应使外加恒定磁场B垂直于波导宽边,以满足ESR共振条件的要求。样品腔的宽边正中开有一条窄槽,通过机械传动装置可使样品处于谐振腔中的任何位置并可以从窄边上的刻度直接读数,调节腔长或移动样品的位置,可测出波导波长?。

实验步骤

1、连接系统,将可变衰减器顺时针旋至最大, 开启系统中各仪器的电源,预热20分钟。 2.按使用说明书调节各仪器至工作状态。

3.调节微波桥路,用波长表测定微波信号的频率,使谐振腔处于谐振状态,将样品置于交变磁场最强处

4.调节晶体检波器输出最灵敏,并由波导波长的计算值大体确定谐振腔长度及样品所在位置,然后微调谐振腔的长度使谐振腔处于谐振状态

5.搜索共振信号,按下扫场按扭,调节扫场旋钮改变扫场电流,当磁场满足共振条件时,在示波器上便可看到共振信号。调节仪器使共振信号幅度最大,波形对称。

6.使用高斯计测定磁共振仪输出电流与磁场强度的数值关系曲线,确定共振时的磁场强度

7.根据实验测得的数据计算出g因子

顺磁共振实验报告

顺磁共振实验报告

h=6.626×10-34J·s ?=9.274×10-24J/T f=9370MHz

共振时,I=2.158A,代入图标中的公式B=318.09 mT

将上述数据代入hv=gμB得到

g =2.104

实验结论

本次实验中体会最深一点是:不能够按着说明书按部就班的做。在实验过程中要不断的开动脑筋。就像这次实验中,说明书上有写着通过调节单螺调配器和活塞使指针向着最小的方向偏转。但是在操作过程中,应先用单螺调配器调大一些,要是单螺调配器直接调的太小,那样子再调活塞时指针基本不偏转。因此要先调大点掉落调配器,然后把活塞调到最小的位置,再调单螺调配器至指针最小处。

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