中国石油大学   近代物理实验    实验报告   成    绩：        

班级：     材物二班  姓名：     焦方宇     同组者：   杜圣   教师：周丽霞

 

光泵磁共振

【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

【实验原理】

1．Rb原子基态及最低激发态的能级

在第一激发能级5P与基态5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。到的跃迁产生的谱线为D1 线，波长是794nm； 到的跃迁产生的谱线为D2 线，波长是780nm。

在核自旋 I = 0 时，原子的价电子L-S 耦合后总角动量PJ与原子总磁矩μJ的关系                            μJ=-gJe2                      （1）

                                  （2）

I≠0时，对， I = 3/2；对， I = 5/2。总角动量F= I+J,…,| I-J |。基态F 有两个值：F = 2 及F = 1；基态有F = 3 及F = 2。由F 量子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量与总磁矩之间的关系为： μF=-gFe2mPF    （3）

                         （4）

在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数＝F, F-1, … ,-F，裂成2F＋1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级。

在弱磁场条件下，通过解Rb原子定态薛定锷方程可得能量本征值为

                     （5）

由（5）式可得基态的两个超精细能级之间的能量差为

                                 （6）

相邻塞曼子能级之间（Δ＝±1）的能量差为（7）

2.  圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应

电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光可引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光（角动量为）时，量子力学给出的跃迁定则为 （角动量守恒）。

的态及态的磁量子数最大值都是+2，当入射光是时，由于只能产生Δ =+1 的跃迁，基态＝+2 子能级的粒子不能跃迁， 当原子经历无辐射跃迁过程从回到时，粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态＝+2 的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态 ＝+2 的子能级上，这就是光抽运效应。

3.  弛豫过程

在热平衡状态下， 基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布（8）     由于各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数相等。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统由偏离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。本实验涉及的几个主要弛豫过程有以下几种：

1、铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。

2、铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。

3、铷原子与缓冲气体的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小，对原子的偏极化基本没影响。

4.  塞曼子能级间的磁共振

垂直于B₀的方向所加一圆频率为的射频场，当满足共振条件（9）时，塞曼子能级之间将发生磁共振。抽运到基态子能级上的大量粒子，由于射频场的作用产生感应跃迁，即由跃迁到。同时由于光抽运的存在，处于子能级上的粒子又将被抽运到子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的平衡。在发生磁共振时，由于子能级上的粒子数比未共振时多，因此对光的吸收增大。

5.  光探测

射到样品泡上线的光一方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光又可以兼作探测光。测量透过样品的 光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光探测，巧妙地将一个低频射频光子（1—10MHz）转换为一个光频光子（ MHz）,使信号功率提高了7－8 个数量级。

【实验仪器】

本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，见图1.

 

图2 主体单元示意图

主体如图2所示。光源采用高频无极放电Rb灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于D₂线的存在不利于D₂线的光抽运，故用透过率大于60%，带宽小于15nm的干涉滤光片就能很好地滤去D₂线。用高碘硫酸奎宁偏振片和40微米左右的云母1/4波片可产生左旋偏振光б⁺，透镜L1可将光源发出的光变为平行光，透镜L2将透过样品泡的平行光汇聚到光电接收器上。

【实验内容】

  1．观测光抽运信号：

1）将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，射频信号发生器“幅度调节”调至最小，接通主电源开关和池温开关，约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮。

2) 调节“水平场”旋钮，调节水平磁场线圈电流的大小在0.20A以下，将指南针置于吸收池上边，判断水平磁场和地磁场的方向关系，改变水平场的方向，使水平场方向与地磁场水平方向相反，然后将指南针拿开，并且将水平磁场线圈电流调至最小。

3）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，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。

4）预置垂直场电流为0.07A，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度，使光抽运信号幅度等高。

2．观测光磁共振信号

1）扫场方式选择“三角波”，幅度保持1状态，设置水平磁场方向、扫场方向和地磁场水平分量相同，调节射频信号发生器“幅度调节”旋钮，使射频信号峰峰值在4.5V。在水平场电流分别为0.24A，0.20A和0.18A时，，读出对应的频率ν₁。

2）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。仍用上述方法，可得到ν₂，则利用公式（7-3-10）可求出g_F因子。

3．测量地磁

1）同测g_F因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得ν₁；

    2）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到ν₃。这样由（7-3-14）式可得地磁场水平分量，并根据=（+）^1/2可得到地磁场的大小。

3）垂直磁场由下式计算 （T）                        （7-3-15）

式中N和r是两个垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的I值是流过单个线圈的电流。 

表7-3-1 厂家给出的线圈参数

【数据处理】

一、    测量g_F因子

 表1  测量g_F数据表

  用式（7-3-11）可算出B_DC ，用式（7-3-10）  可算出g_F，其中N和r可从表7-3-1中读出。

利用式（7-3-12）可得： 

                    g_f(⁸⁷Rb)/g_f(⁸⁵Rb)=0.5044/0.3371=1.4997

因此实验数据和结果与理论基本相符。

二、测量地磁场

表2  测量地磁场数据表

利用式（7-3-15）可得垂直方向上的地磁场的平均强度为：

地磁场的强度大小为：

5.8736

六、思考题

1、光抽运的物理过程如何？造成什么后果？

光抽运的物理过程为：

气态原子受左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则 ±1，，进行跃迁

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。基态子能级上原子若吸收光子就将跃迁到的状态，但各自能级最高为。

因此基态中子能级上的粒子就不能跃迁。

由于的激发而跃迁到激发态的粒子可以通过自发辐射退激回到基态，当原子经历无辐射跃迁过程从回到 时，则原子返回基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态子能级上的原子数就会大大增加，即大量原子被“抽运”到基态的的子能级上。

结果：造成了偏极化，使光泵磁共振信号加强。

2.方波扫场、水平场在光抽运过程中起什么作用？对方波扫场和水平场的方向、振幅有何要求？

答:方波扫场、水平场在光抽运过程中抵消了地磁场在水平方向上的分量。方波扫场提供一个周期性的磁场，使光抽运周期性发生。 在观察光抽运信号时，设置水平场为零，并使扫场方向与地磁场水平分量方向相反，并调节扫场幅度，使光抽运信号与总磁场的信号等高。

【实验总结】

在做本实验时，由于不熟悉实验操作，重新做了好多次才做出，首先要注意的是，在测光抽运信号时，要测好水平场和扫场的方向，否则后面实验无法进行。其次，在做完光抽运信号的观察后，要通过调节扫场消除掉光抽运信号，否则会影响后面的光磁共振信号的观测。在调节射频信号发射器频率时，从小到大，会出现两次峰值，频率大的为铷87，频率小的为铷85。实验误差主要来源与外界光的干扰和肉眼观测信号是的误差。在测量地磁场反向频率时由于与得出的数据比较接近，，需要仔细反复的多测几次才得出了比较好的数据记录。总之，通过这次实验加深了对光抽运和光磁共振的了解，掌握了很多知识。

【原始数据附录】

第二篇：近代物理实验

实验9-3 γ射线的吸收与物质吸收系数的测定

测量物质对γ射线的吸收规律，不仅有助于了解γ射线与物质的相互作用机理，而且，作为一种重要的实验方法，在许多科学领域都发挥着巨大的作用。例如，为了有效地屏蔽γ辐射，需要根据物质对γ射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对γ射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。

【实验目的】

1、进一步认识γ射线与物质相互作用的规律。

2、测量不同能量的窄束γ射线在不同物质中的吸收系数。

【实验原理】

γ射线与物质发生作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。对于低能γ射线，与物质的作用以光电效应为主，如果γ射线能量接近1MeV，康普顿效应将占主导地位，而当γ射线能量超过1.02MeV时，就有可能产生电子对效应。

准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。单能的窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度的衰减服从指数规律，即

                   （9-3-1）

其中I₀和I分别是穿过吸收物质前、后的γ射线强度，x是γ射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝），σ_r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N是吸收物质单位体积中原子数，μ是吸收物质的线性吸收系数（，单位为㎝^-1）。显然μ的大小反映了吸收物质吸收γ射线能力的大小。

需要注意的是，由于γ射线与吸收物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量和吸收物质的原子序数Z而变化，所以线性吸收系数μ是吸收物质的原子序数Z和γ射线能量的函数。

考虑到σ_r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数μ就可以表示为

                         （9-3-2）

式中、、分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且

                           （9-3-3）

从中可以看出线性吸收系数μ与吸收物质的原子序数Z之间的复杂关系。

对于线性吸收系数μ与γ射线能量之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不同而存在显著差别。图9-3-1给出了铅、锡、铜、铝对γ射线的线性吸收系数μ与γ射线能量之间的关系曲线。

图9-3-1  铅、锡、铜、铝对γ射线的吸收系数和能量的关系

实际工作中常用质量吸收系数表示物质对γ射线的线性吸收系数μ，与μ的关系为

                           （9-3-4）

其中ρ是吸收物质的密度（单位为）。用表示的γ射线强度的指数衰减规律为

                        （9-3-5）

式中的为吸收物质的质量厚度，单位为。因为

             （9-3-6）

其中N_A是阿佛加德罗常数，A是原子量数。所以质量吸收系数与吸收物质的密度及物理状态无关，在实际应用上也就更为方便。

在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率n总是与该时刻的γ射线强度I成正比，所以（9-3-5）式也可以表示为

                         （9-3-7）

对两边同时取对数，得

                    （9-3-8）

显然，与具有线性关系，如图9-3-2所示。

图9-3-2  —曲线

有时，物质对γ射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的γ射线强度减弱到一半时的吸收物质厚度，记作，在量值上为

                          （9-3-9）

显然，也是吸收物质的原子序数Z和γ射线能量的函数。利用半吸收厚度，可以粗略估计γ射线的能量。

【实验装置与器材】

实验装置如图9-3-3所示，包括¹³⁷Cs和⁶⁰Coγ放射源、NaI（Tl）闪烁探测器、多道脉冲幅度分析器（含多道分析软件，其操作方法请阅读仪器使用说明书）、计算机，以及多个铅吸收片和铝吸收片等。

图9-3-3  γ射线的吸收测量装置

由于实验中采用NaI（Tl）闪烁探测器，配合多道脉冲幅度分析器进行测量，在计算机上显示的是γ射线的全能谱，考虑到本底、计数统计涨落及光标定位不准的影响，所以无法直接准确得到某一能量γ射线在某一时刻的计数率，比较好的解决办法是，在相同实验条件下（放射源与探测器的位置不变，探测器工作电压和放大倍数不变，并保证相同的测量时间），首先获得不同吸收厚度下的γ射线全能谱，然后计算所选光电峰的净面积A（多道分析软件中包含此功能），以此替代前述公式中的n或I。净面积的计算方法有三种，分别是TPA算法、Covell算法和Wasson算法，如图9-3-4所示。这些算法中，TPA算法比较简单，准确度也较高，因此在手工计算时，建议采用这种算法，具体做法请阅读相关资料。

图9-3-4 净面积算法示意图

【实验内容】

1、阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。

2、仪器开机并调整好工作电压（700~750V）和放大倍数后，预热30分钟左右。

3、在多道分析软件中调整预置时间为600s。

4、用一组铝吸收片测量对¹³⁷Cs的γ射线（取0.662MeV光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铝的密度（）求线性吸收系数，与理论值（0.194㎝^-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。

5、用一组铅吸收片测量对¹³⁷Cs的γ射线（取0.662MeV光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铅的密度（）求线性吸收系数，与理论值（1.213㎝^-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。

6、用一组铝吸收片测量对⁶⁰Co的γ射线（取1.17MeV或1.33MeV光电峰）吸收曲线，并用最小二法原理拟合求线性吸收系数、质量吸收系数和半吸收厚度。

【注意事项】

1、当工作指示灯亮时，切勿关闭仪器。

2、领用和归还放射源必须作好登记。

【思考题】

1、如何用本实验的方法测量一定材料的厚度？

2、闪烁体前有一厚度约200 μm的铝质密封窗，试分析其对测量结果有何影响？

3、实验中，是否可以用全谱总计数率代替光电峰的净面积？为什么？

4、根据实验结果，谈谈在辐射的屏蔽防护方面应如何选择材料。

5、根据实验结果分析物质对γ射线的吸收系数与哪些因素有关？

【参考资料】

1、褚圣鳞，原子物理学， 高等教育出版社，1979

2、复旦大学等，原子核物理实验方法（下册），原子能出版社，1982

3、吴泳华等，近代物理实验，安徽教育出版社，1987

4、北京大学等，核物理实验，原子能出版社，1984