表面磁光克尔实验报告材料
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验
实验名称：表面磁光克尔效应实验
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一、实验设计方案
1.1、实验目的
（1）了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法；
(2)掌握表面磁光克尔效应谱的测量和应用。
1.2、实验原理
磁光效应有两种：法拉第效应和克尔效应，1845 年，Michael Faraday 首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是法拉第效应。1877 年，John Kerr 发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是克尔效应。克尔效应在表面磁学中的应用，即为表面磁光克尔效应（surface magneto-optic Kerr effect）。它是指铁磁性样品（如铁、钴、镍及其合金）的磁化状态对于从其表面反射的光的偏振状态的影响。当入射光为线偏振光时，
样品的磁性会引起反射光偏振面
的旋转和椭偏率的变化。表面磁光
克尔效应作为一种探测薄膜磁性
的技术始于 1985 年。
如图 1 所示，当一束线偏振
光入射到样品表面上时，如果样品
是各向异性的，那么反射光的偏
振方向会发生偏转。如果此时样图 1 表面磁光克尔效应原理
品还处于铁磁状态，那么由于铁磁性，还会导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小的角度，这个小角度称为克尔旋转角θk 。同时，一般而言，由于样品对 p光和s光的吸收率是不一样的，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也发生变化，而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率εk 。由于克尔旋转角θk和克尔椭偏率εk都是磁化强度M 的函数。通过探测θ k 或εk 的变化可以推测出磁化强度M 的变化。
按照磁场相对于入射面的配置状态不同，磁光克尔效应可以分为三种：极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。
1．极向克尔效应：如图 2 所示，
磁化方向垂至于样品表面并且平行于
入射面。通常情况下，
极向克尔信号的强度随光的入射角的
减小而增大，在 0o 入射角时（垂直
入射）达到最大。
图 2 极向克尔效应2．纵向克尔效应：如图 3 所示，
磁化方向在样品膜面内，并且平行于
入射面。纵向克尔信号的强度一般随
光的入射角的减小而减小，在入射角
时为零。通常情况下，纵向克尔信号
中无论是克尔旋转角还是克尔椭偏率
都要比极向克尔信号小一个数量级。图 3 纵向克尔效应
正是这个原因纵向克尔效应的探测远比极向克尔效应来得困难。但对于很多薄膜样品来说，易磁轴往往平行于样品表面，因而只有在纵向克尔效应配置下样品的磁化强度才容易达到饱和。因此，纵向克尔效应对于薄膜样品的磁性研究来说是十分重要的。 3．横向克尔效应：如图 4 所示，磁化方向在样品膜面内，并且垂至于入射面。横向克尔效应中反射光的偏振状态
没有变化。这是因为在这种配置下
光电场与磁化强度矢积的方向永远
没有与光传播方向相垂直的分量。
横向克尔效应中，只有在偏振光
（偏振方向平行于入射面）入射条
件下，才有一个很小的反射率的变
化。图 4 横向克尔效应
以下以极向克尔效应为例详细
讨论 SMOKE 系统，原则上完全适
用于纵向克尔效应和横向克尔效
应。图5为常见的 SMOKE 系统光
路图，氦－氖激光器发射一激光束
通过偏振棱镜 1 后变成线偏振
光，然后从样品表面反射，经过偏
振棱镜 2 进入探测器。偏振棱镜
2 的偏振方向与偏振棱镜 1 设置图 5 常见 SMOKE 系统的光路图
成偏离消光位置一个很小的角度δ，
如图 6 所示。样品放置在磁场中，当外加磁场改变样品磁化强度时，反射光的偏振状态发生改变。通过偏振棱镜 2 的光强也发生变化。在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，探测器探测到这个光强的
变化就可以推测出样品的磁化状态。
两个偏振棱镜的设置状态主要是为了区
分正负克尔旋转角。若两个偏振方向设置在
消光位置，无论反射光偏振面是顺时针还是
逆时针旋转，反映在光强的变化上都是强度
增大。这样无法区分偏振面的正负旋转方向，
也就无法判断样品的磁化方向。当两个偏振
方向之间有一个小角度δ 时，通过偏振棱镜
2 的光线有一个本底光强I 0 。反射光偏图 6 偏振器件配置
振面旋转方向和δ 同向时光强增大，反向时光强减小，这样品的磁化方向可以通过样光强的变化来区分。在图 2 的光路中，假设取入射光为p 偏振（电场矢量Ep平行于入射面），当光线从磁化了的样品表面反射时由于克尔效应，反射光中含有一个很小的垂直于Ep的电场分量，通常 Es<< Ep。
在一阶近似下有：
Es／Ep=θk+iεk (1) 通过棱镜 2 的光强为：I=∣Ep sinδ+ Es cosδ∣2 (2)
将（1）式代入（2）式得到：I = ∣E p ∣2
∣sin δ+(θk + i εk )cosδ∣2
（3） 因为δ 很小，所以可以取sin δ = δ ， cos δ = 1，得到：
I = ∣Ep ∣2∣δ+ (θk + i εk )∣2
（4） 整理得到：I = ∣Ep ∣2
(δ2 + 2δθk ) （5） 无外加磁场下：I 0 = ∣Ep ∣2
δ2
（6） 所以有：I = I 0 (1+ 2θk /δ ) （7） 于是在饱和状态下的克尔旋转角θk 为：
（8）
I (+M S ) 和 分别是正负饱和状态下的光强。从式（8）可以看出，光强的变化只与克尔旋转角I (?M S )θ k 有关，而与ε k 无关。说明在图 5 这种光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角。
在超高真空原位测量中，激光在入射到样品之前，和经样品反射之后都需要经过一个视窗。但是视窗的存在产生了双折射，这样就增加了测量系统的本底，降低了测量灵敏度。为了消除视窗的影响，降低本底和提高探测灵敏度，需要在检偏器之前加一个 1/4 波片。仍然假设入射光为 p 偏振，四分之一波片的主轴平行于入射面，如图 7 所示
此时在一阶近似下有：
K
K P S i E E θε+-=/
通过棱镜 2 的光强为：
2
22
δ
θδεδδδCos i Cos Sin E Cos E Sin E I K K P S P +-=+=
因为δ 很小，所以可以取sin δ = δ ， cos δ = 1，得到：
)
2(2
222
2
2
K K K P K
K P E i E I θεδεδθεδ++-=+-=
因为角度δ 取值较小，并且
2
2
0δp E I = ，所以：
)
/21()2(022
δεδεδK K P I E I -=-≈ (9)
在饱和情况下?ε k 为：
4)
()(4
I I
I M I M I S S k ?-
=+--=
?δδε
此时光强变化对克尔椭偏率敏
感而对克尔旋转角不敏感。因此，
如果要想在大气中探测磁性薄膜
的克尔椭偏率，则也需要在图5的
光路中检偏棱镜前插入一个四分
之一波片。如图7所示。
如图5所示，整个系统由一台
计算机实现自动控制。根据设置的
参数，计算机经D/A卡控制磁场电
源和继电器进行磁场扫描。光强变图7 SMOKE 系统测量椭偏率的光路图
化的数据由A/D卡采集，经运算后作图显示，从屏幕上直接看到磁滞回线的扫描过程，如图8所示。
表面磁光克尔效应具有极高的探测灵敏度。目前表面磁光克尔效应的探测灵敏度可以达到10－4度的量级。这是一般常规的磁光克尔效应的测量所不能达到的。因此表面磁光克尔效应具有测量单原子层、甚至于亚原子层磁性薄膜的灵敏度，所以表面磁光克尔效应已经被广泛地应用在
磁性薄膜的研究中。虽然表面磁光
克尔效应的测量结果是克尔旋转
角或者克尔椭偏率，并非直接测量
磁性样品的磁化强度。但是在一阶
近似的情况下，克尔旋转角或者克
尔椭偏率均和磁性样品的磁化强
度成正比。所以，只需要用振动样
品磁强计（VSM）等直接测量磁
性样品的磁化强度的仪器对样品图8 表面磁光克尔效应实验扫描图样
进行一次定标，即能获得磁性样品的磁化强度。另外，表面磁光克尔效应实际上测量的是磁性样品的磁滞回线，因此可以获得矫顽力、磁各向异性等方面的信息。
3）如果需要检测克尔椭偏率时，按照图7的光路图，在检偏棱镜前放置四分之一波片，并调节四分之一波片的主轴平行于入射面，调整好光路后进行自动扫描或者手动测量，这样就可以检测克尔椭偏率随磁场变化的曲线。
二、实验仪器
表面磁光克尔效应实验系统主要由电磁铁系统、光路系统、主机控制系统、光学实验平台以及
电脑组成。如图9 所示。
图9 表面磁光克尔效应实验系统实验装置
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 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 J J e e g 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 n S +对应于 n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为212 5S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级 21 S J n P +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为212 5P 和232 5P ，相应的朗德因子 24 ,33J g = 。22132255P S →的能级跃迁产生光谱线1D 线(1794.76nm λ=)；223322 55P S →的跃迁产生光谱线2D 线（2780.0nm λ=）。本实验观测与1D 线有关的能级的超精细结构及其在弱磁场中的塞曼分裂。 通常原子核也具有角动量，记原子核的总角动量为P ，它是核中质子和中子的轨道角 动量和自旋角动量的矢量和，核的总角动量的数值I P = ，通常也称为核自旋， 其中I 称为核的自旋量子数，I 为整数或半整数，已知稳定的原子核的I 值在0~7.5之间。 核的总角动量I P 的最大可测的分量值为 I 。当0I ≠时，原子核的总磁矩为
磁光材料简介
磁光材料的研究现状 1. 综述 磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 6 f = VBd| 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，|e t <0；反之，偏振面左旋，阡>0。 与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（￥才忧0口，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（R材料是常见的法拉第效应磁光材料 ［1］。 磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角戸。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，° k随入射角的减小而增大； 横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化； 纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁 畴分布。 塞曼效应
磁共振实验报告
近代物理实验题目磁共振技术 学院数理与信息工程学院 班级物理082班 学号08220204 姓名 同组实验者 指导教师
光磁共振实验报告 【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量g因子。 【关键词】光磁共振光抽运效应塞曼能级分裂超精细结构 【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。光磁共振方法现已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。利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、基本知识 1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂 本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号．铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所示．在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂．标定这些分裂能级的磁量子数m F=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＝g F m FμF B0（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g F= g J [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ? 2F（F＋1）（2） 图1 其中g J= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ? 2J（J＋1）（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（1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差 ΔE＝g FμB B0（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．
光磁共振实验报告
近代物理实验报告 光磁共振 班级物理081 学号 08180140 姓名周和建 时间 2011年4月27日
【摘要】 以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法，使用DH807A型光磁共振实验装置来观察光抽运信号，进而测定铷原子两个同位素87Rb和85Rb的超精细结构塞曼子能级的朗德因子的测量。 【关键词】 光磁共振光抽运塞曼能级分裂超精细结构 【引言】 光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。 光磁共振方法现已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。 利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、实验原理 （一）铷(Rb)原子基态及最低激发态的能级 实验研究对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属，它和所有的碱金属原子Li、Na、K一样，在紧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。 由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L－S耦合）而发生能级分裂， 称为精细结构。轨道角动量P s、的合成角动量P J =P L +P S 。原子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=0和S=1/2,因此 Rb基态只有J=1/2。其标记为５２S 1/2。铷原子最低激发态是52P 1/2 及52P 3/2 双重态。 这是由于轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。52P 1/2态的J=1/2, 52P 3/2 态的J=3/2。 ５Ｐ与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。52P 1/2→５２S 1/2 跃迁产生波长为7947.6?的D 1 谱线，52P 3/2 →５２S 1/2跃迁产生波长7800?的D 2 谱线。 原子的价电子在LS耦合中，总角动量P J 与原子的电子总磁矩μ J 的关系为 (1) (2)
铷原子的光泵磁共振 实验报告
铷原子的光泵磁共振 田卫芳 201411142023 （北京师范大学物理系 2014 级） 指导教师：何琛娟 实验时间： 2016.11.24 摘要 本实验主要研究了铷原子的光泵磁共振现象，首先通过改变垂直场，消除地磁场垂直分量的影响；改变水平场，观察光抽运信号，同时计算地磁场的大小； 利用扫场法观察磁共振信号，计算Rb Rb 8587和的F g 因子的大小，与理论值比较。 关键词 铷原子、超精细结构、塞曼能级分裂、光抽运、磁共振、 1. 引言 在磁场中，塞曼分裂导致的磁能级间距通常比较小，因此，产生磁共振现象所需的能量通常位于射频或微波波段。此波段的电磁波能量要比光频段的能量小得多，普通的光谱仪器根本无法分辨，所以对于那些磁共振信号很微弱的样品(比如气体样品)很难探测。光抽运是用圆偏振光激发气态原子，打破原子在所研究能级间的热平衡分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。光泵磁共振是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。光泵磁共振采用光探测方法，探测原子对光量子的吸收，而不直接测量射频量子，克服了磁共振信号弱的缺点，大大提高了探测灵敏度。 本实验研究铷原子（Rb ）的光泵磁共振现象，并测量Rb 的朗德因子。天然铷有两种同位素: 丰度为72．15％的Rb 85，丰度为27．85％的Rb 87。 2. 实验原理 2.1 Rb 原子基态及最低激发态的能级 Rb 是碱金属原子，最外层有一个价电子，基态时位于5s 能级上，其轨道
角动量量子数L=0,自旋角动量量子数为S=1/2，考虑L-S 耦合后，其总角动量J=1/2，记作52S 1/2 ，其最近激发态为52P 1/2和52P 3/2。电子由5p 跃迁到5s 所产生的光辐射是Rb 原子主线系的第一条线，为双线，其强度在Rb 灯光谱中特别高，其中52P 1/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 1线，波长794.8nm ，52P 3/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 2线，波长780.0nm 。 在核自旋量子数I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量J P 与原子总磁矩J μ 关系为 2J J J e e g P m μ=- (1)(L 1)(S 1) 12(J 1) J J J L S g J +-+++=+ + 但当I ≠0时，原子总角动量还要考虑核的贡献。由量子数F 标定原子的超精细结构能级。原子总角动量P F 与总磁矩μF 之间的关系为 2F F F e e g P m μ=- F(F 1)(J 1)(I 1) 2(F 1) F J J I g g F +++-+=+ 在弱磁场中原子的超精细结构产生反常塞曼分裂，磁量子数m F =F ，F-1……，-F ，会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级，如图2-1所示 图2-1 铷原子能级图
核磁共振实验报告
应物0903班 核磁共 振实验报告 王文广U8 苏海瑞 U8
核磁共振实验报告 一、实验目的 1．了解核样共振的基本原理 2．学习利用核磁共振测量磁场强度和原子核的g 因子的方法 二、实验内容 1．在加不同大小扫场情况下仔细观察水样品的核磁共振现象，记录每种情况下的共振峰形和对应的频率 2．仔细观察和判断扫场变化对共振峰形的影响，从中确定真正能应永久磁铁磁场0B 的共振频率，并以此频率和质子的公认旋磁比值 ()267.52MHz /T γ=计算样品所在位置的磁场0B 3．根据记录的数据计算扫场的幅度 4．研究射频磁场的强弱对共振信号强度的影响 5．观察聚四氟乙烯样品的核磁共振现象，并计算氟核的g 因子 三、实验原理 1．核磁共振现象与共振条件 原子的总磁矩j μ和总角动量j P 存在如下关系 22B j j j j e e B e g P g P P m h e e m πμμγμγ=-==为朗德因子，、是电子电荷和质量，称为玻尔磁子，为原子的旋磁比
对于自旋不为零的原子核，核磁矩j μ和自旋角动量j P 也存在如下关系 22N I N I N I I p e g P g P P m h πμμγ=-== 按照量子理论，存在核自旋和核磁矩的量子力学体系，在外磁场 0B 中能级将发生赛曼分裂，相邻能级间具有能量差E ?，当有外界条 件提供与E ?相同的磁能时，将引起相邻赛曼能级之间的磁偶极跃迁，比如赛曼能级的能量差为02B h E γπ ?= 的氢核发射能量为h ν的光子，当0= 2B h h γνπ 时，氢核将吸收这个光子由低塞曼能级跃迁到高塞曼能级，这种共振吸收跃迁现象称为“核磁共振” 由上可知，核磁共振发生和条件是电磁波的圆频率为 00B ωγ= 2．用扫场法产生核磁共振 在实验中要使0= 2B h h γνπ 得到满足不是容易的，因为磁场不是容易控制，因此我们在一个永磁铁0B 上叠加一个低频交谈磁场 sin m B B t ω=，使氢质子能级能量差 ()0sin 2m h B B t γωπ +有一个变化的区域，调节射频场的频率ν，使射频场的能量h ν能进入这个区域，这样在某一瞬间等式 ()0sin 2m h B B t γωπ +总能成立。如图，
南京大学_光磁共振实验报告
光磁共振 (大学物理学院 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 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 J J e e g 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21 S J n S +对应于n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为212 5S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级 21S J n P +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为212 5P 和232 5P ，相应的朗德因 子24 ,33J g = 。221322 55P S →的能级跃迁产生光谱线1D 线(1794.76nm λ=)；22332 2 55 P S →的跃迁产生光谱线2D 线（2780.0nm λ=）。本实验观测与1D 线有关的能 级的超精细结构及其在弱磁场中的塞曼分裂。 通常原子核也具有角动量，记原子核的总角动量为P ，它是核中质子和中子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和，核的总角动量的数值I P = ，通常也称为核自旋，其中I 称为核的自旋量子数，I 为整数或半整数，已知稳定的原子核的I 值在0~7.5之间。核的总角动量I P 的最大可测的分量值为I 。当0I ≠时，原子核的总磁矩为
光泵磁共振实验报告
铷原子的光泵磁共振实验 学号 姓名： 实验日期： 指导老师： 【摘要】 在本实验中我们运用光泵磁共振技术，研究了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，最终测量得87 Rb 的朗德F g 因子为0.4981，85Rb 的朗德F g 因子为0.3348，以及地磁场的大小为0.4245GS. 关键词：光抽运、磁共振、超精细结构、塞曼子能级、朗德F g 因子 一、引言： 光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级或塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术实际上是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，它是1955年法国科学家卡斯特勒（A.Kastler ）发明的。在光泵磁共振技术中，一方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布，使更多的粒子参与磁共振；另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探测灵敏度提高了七八个数量级。如今，光泵磁共振已广泛应用于基础物理研究，比如原子的磁矩、能级结构和g 因子测量。此外，在原子频标、激光及弱磁场测量等方面，这一方法也是极为有利的实验手段。 本实验研究铷原子的光泵磁共振现象，并测量铷原子的朗德g 因子和地磁场强度。 二、 原理: 实验研究的对象是Rb 原子，其最外层有一个价电子，位于5s 能级上，因此其电子轨道角动量量子数L=0,电子自旋轨道角动量量子数s=1/2.其总角动量量子数 s L S L S L J --++= ,1,。所以Rb 原子的基态只有2/1=J ，标记为2/125S 。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。2 /12P 5到 2 /12S 5的跃迁 产生的谱线为D1线，波长是794.8nm ；2 /12P 5到 2 /12S 5的跃迁产生的谱线为D2线，波长是 780.0nm 。 在核自旋I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量和原子的总磁矩的关系为 2J J J e e g P m μ =- (1)
FD-SMOKE-A型 表面磁光克尔效应实验系统实验讲义(060325)
实验指导参考 TEACHER'S GUIDE FD-SMOKE-A 表面磁光克尔效应实验系统 中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.
FD-SMOKE-A型表面磁光克尔效应实验系统 一、简介 1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转，随后他加磁场于金属表面上做光反射的实验，但由于金属表面并不够平整，因而实验結果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader两位学者进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量，成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并且提出了以SMOKE来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法的磁性测量灵敏度可以达到一个原子层厚度，并且仪器可以配臵于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。 表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层膜磁性，是当今凝聚态物理领域中的一个极其重要的研究热点。而表面磁光克尔效应（SMOKE）谱作为一种非常重要的超薄膜磁性原位测量的实验手段，正受到越来越多的重视。并且已经被广泛用于磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的研究。和其他的磁性测量手段相比较，SMOKE 具有以下四个优点： 1．SMOKE的测量灵敏度极高。国际上现在通用的SMOKE测量装臵其探测灵敏度可以达到亚单原子层的磁性。这一点使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有着重要的地位。 2．SMOKE测量是一种无损伤测量。由于探测用的“探针”是激光束，因此不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的实验样品来说，这一点非常有利。 3．SMOKE测量到的信息来源于介质上的光斑照射的区域。由于激光光束的束斑
3.光磁共振实验预习报告
光磁共振实验预习报告 【摘要】 光磁共振是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构塞曼能级间的磁共振。实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，进而测定铷原子两个同位素Rb 87 或Rb 85 的超精细结构塞曼子能级的朗德因子g 的测量。 【关键字】 光磁共振 精细结构 铷原子 朗德因子 【引言】 光磁共振是“激光之父”卡斯特勒提出并实现。它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman 能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann 分布。然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动，使光的抽运速率变化。通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构。 由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观察。 1950年卡斯特勒(A.Kastler)提出了光抽运方法（又称光泵），使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖。 【正文】 一、实验原理 1. 铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级 铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。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。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S L 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
实验 光泵磁共振实验
实验 光泵磁共振实验 在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。 光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。 三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。 本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。它是典型的波谱学教学实验之一。 实验原理 1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级 本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子Li 、Na 、K 一样，在紧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。n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。 由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P +=。原子能级的精细结构用总角动量量子数J 标记， J =L +S ，L +S -1，……，|L -S |。对基态，L ＝0和S ＝1／2，因此Rb 基态J =0+1/2=1/2。其标记为 52S 2/1。Rb 最低激发态，L =1和S =1/2，因此J =1/2 和J =3/2，是双重态：52P 1/2和52P 3/2。5P 与5S 能级之间产生跃迁是Rb 原子主线系第1条线， 为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。52P 1/2 →52S 1/2跃迁产生波长为7947.6?为D 1谱线， 52P 3/2→52S 1/2跃迁产生波长为7800A 为D 2谱线。
磁光材料简介
磁光材料的研究现状 1.综述 磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 1.1法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，<0；反之，偏振面左旋，>0。 与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（）材料是常见的法拉第效应磁光材料[1]。 1.2磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，随入射角的减小而增大； 横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化； 纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 1 / 8
应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。 1.3塞曼效应 塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。能级分裂的方式与角量子数J和朗德因子g有关。 塞曼效应证明了原子具有磁矩，而且磁矩的空间取向量子化。塞曼效应可应用于测定角量子数和朗德因子，还可分析物质的元素组成。 1.4磁致线双折射效应 磁致线双折射效应指透明介质处于磁场中时，表现出单轴晶体的性质，光线入射能产生两条折射线。在铁磁和亚铁磁体中的磁致线双折射效应称作科顿-穆顿效应，反铁磁体中的磁致线双折射效应称作瓦格特效应[2]. 磁致线双折射效应可用于测量物质能级结构，研究单原子层磁性的微弱变化等2.研究现状 本章将介绍多种磁光材料的前沿应用和理论研究，并结合本人所学知识给出相应的评价和启发。个人评价用加粗字体给出。 2.1利用法拉第效应进行焊接检测[3] 根据法拉第效应，偏振光通过磁场中的介质后，偏振面转过一定角度，通过偏振角一定的偏振片后，就会表现为不同的亮度。工作时，将光源、起偏器、反射镜、直流电磁铁、光反射面、磁光薄膜、检偏器、CMOS成像装置和焊件按图1组装。 2 / 8
光磁共振实验讲义
25P 1 2 794.76nm 780.0nm Fig.1 铷原子精细结构的形成 光磁共振讲义 一、 讲课形式（时间安排） 40分钟理论及相关知识的讲述，15分钟仪器介绍及操作演示。 二、 教学要求 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。 三、 实验原理 1．概念介绍 1) 光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成 期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。 2) 如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采 用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。 3) 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精 细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、 因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。 2．铷原子的能级分裂（精细结构的形成） 1) 研究对象：铷（Rb ）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子 数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2 2) 原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S 耦合） 发生能级分裂 3) 铷原子基态与最低激发态的形成：用J 表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S| 4) 对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记 为21/25S ；对于最低激发态，L=1，S=1/2， 得J=3/2,1/2，标记为22 3/21/25,5P P ，如右 图所示，形成两条谱线。
钟浩鹏 光泵磁共振实验报告
扬州大学物理科学与技术学院 近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量 班级：物教1301班 姓名：钟浩鹏 学号：130801131 指导老师：王文秀
光泵磁共振实验报告 摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field. 关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场 一、引言 光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有两种同位素： 85 Rb（丰度为72.15%）、87 Rb（丰度为27.85%）。 二、实验原理 1．铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。 图1 Rb原子精细结构的形成 在L—S耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，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，如图1所示，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm。
核磁共振实验报告
核磁共振实验报告 一、实验目的： 1．掌握核磁共振的原理与基本结构； 2．学会核磁共振仪器的操作方法与谱图分析； 3．了解核磁共振在实验中的具体应用； 二、实验原理 核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核。原子核是带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩，但并非所有同位素的原子核都有自旋运动，只有存在自选运动的原子核才具有磁矩。原子核的自选运动与自旋量子数I有关。I=0的原子核没有自旋运动。I≠0的原子核有自旋运动。 原子核可按I的数值分为以下三类： 1)中子数、质子数均为偶数，则I=0，如12C、16O、32S等。 2)中子数、质子数其一为偶数，另一为基数，则I为半整数，如： I=1/2；1H、13C、15N、19F、31P等； I=3/2；7Li、9Be、23Na、33S等； I=5/2；17O、25Mg、27Al等； I=7/2，9/2等。 3)中子数、质子数均为奇数，则I为整数，如2H、6Li、14N等。 以自旋量子数I=1/2的原子核（氢核）为例，原子核可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向： 氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）： a.与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2; b.与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;
正向排列的核能量较低，逆向排列的核能量较高。两种进动取向不同的氢核之间的能级差：△E= μH0（μ磁矩，H0外磁场强度）。一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收△E的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振，简称NMR。三、仪器设备结构 核磁共振波谱仪（仪器型号：Bruker AVANCE 400M）由以下三部分组成：1)操作控制台：计算机主机、显示器、键盘和BSMS键盘。 计算机主机运行Topspin程序，负责所有的数据分析和存储。BSMS键盘可以让用户控制锁场和匀场系统及一些基本操作。 2)机柜：AQS（采样控制系统）、BSMS（灵巧磁体系统），VTU（控温单元）、 各种功放。 AQS各个单元分别负责发射激发样品的射频脉冲，并接收，放大，数字化样品放射出的NMR信号。AQS完全控制谱仪的操作，这样可以保证操作不间断从而保证采样的真实完整。BSMS：这个系统可以通过BSMS键盘或者软件进行控制，负责操作锁场和匀场系统以及样品的升降、旋转。3)磁体系统：自动进样器、匀场系统、前置放大器(HPPR)、探头。 本仪器所配置的自动进样器可放置60个样品。磁体产生NMR跃迁所需的磁场。室温匀场系统被安装在磁体的下端，是一组载流线圈，通过补充磁场均匀度来改善磁场一致性。探头的功能是支撑样品，发射激发样品的射
光磁共振实验剖析
光泵磁共振 光泵磁共振的基本思想是卡斯特勒（A.Kastlar）在50年代提出的，它是利用光抽运（0ptical pumping）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。这个磁共振信号是非常弱的，而本实验应用了光泵的光检测的方法，使磁共振分辨率高（可达10-11T）的优点得到了保持，同时还能将探测灵敏度至少提高10个左右数量级。此方法不仅可以用于基础性研究，对于其它实用测量技术方面也有广泛的应用。实验中是以天然铷（Rb）为样品，研究碱金属铷原子基态光磁双共振。 一、实验目的 （1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 （2）测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。 实验重点：实验装置中磁场的作用。 实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量 二、实验原理 光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。 1、铷原子基态和最低激发态的能级 天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。 由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，|L—S|。铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。 已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量P J与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–g J eP J/（2m e）（1） J（J+1）—L（L+1）+S（S+1） g J=1+ ───────────────（2） 2J（J+1） 但铷原子的核自旋I≠0。所以核自旋角动量P I与电子总角动量P J耦合成原子总角动量
光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验报告 摘要：在本实验中，我们通过设置和调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德g 因子。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。再者，由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。在实验过程中掌握了光泵磁共振的基本原理。 关键词：抽运，光泵磁共振 一、引言 光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。本实验研究Rb 原子的光泵磁共振现象，天然Rb 有两种同位素： 85 Rb （丰度为72.15%）、87 Rb （丰度为27.85%）。 二、实验原理 1．铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %和85Rb ，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。 在L —S 耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，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，如图B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm 和780.0nm 。 通过L —S 耦合形成了电子的总角动量PJ ，与此相联系的核外电子的总磁矩 J μ为 2J J J e e g P m μ=- 式中 图B4-1 Rb 原子精细结构的形成
核磁共振实验报告
应物0903班 核磁共振实 验报告 王文广U200910198 苏海瑞U200910218
核磁共振实验报告 一、实验目的 1．了解核样共振的基本原理 2．学习利用核磁共振测量磁场强度和原子核的g 因子的方法 二、实验内容 1．在加不同大小扫场情况下仔细观察水样品的核磁共振现象，记录每种情况下的共振峰形和对应的频率 2．仔细观察和判断扫场变化对共振峰形的影响，从中确定真正能应永久磁铁磁场0B 的共振频率，并以此频率和质子的公认旋磁比值 ()267.52MHz /T γ=计算样品所在位置的磁场0B 3．根据记录的数据计算扫场的幅度 4．研究射频磁场的强弱对共振信号强度的影响 5．观察聚四氟乙烯样品的核磁共振现象，并计算氟核的g 因子 三、实验原理 1．核磁共振现象与共振条件 原子的总磁矩j μr 和总角动量j P r 存在如下关系 22B j j j j e e B e g P g P P m h e e m πμμγμγ=-==r r r r 为朗德因子，、是电子电荷和质量，称为玻尔磁子，为原子的旋磁比 对于自旋不为零的原子核，核磁矩j μr 和自旋角动量j P r 也存在如下 关系
22N I N I N I I p e g P g P P m h πμμγ=-==r r r r 按照量子理论，存在核自旋和核磁矩的量子力学体系，在外磁场 0B 中能级将发生赛曼分裂，相邻能级间具有能量差E ?，当有外界条 件提供与E ?相同的磁能时，将引起相邻赛曼能级之间的磁偶极跃迁，比如赛曼能级的能量差为02B h E γπ ?= 的氢核发射能量为h ν的光子，当0= 2B h h γνπ 时，氢核将吸收这个光子由低塞曼能级跃迁到高塞曼能级，这种共振吸收跃迁现象称为“核磁共振” 由上可知，核磁共振发生和条件是电磁波的圆频率为 00B ωγ= 2．用扫场法产生核磁共振 在实验中要使0= 2B h h γνπ 得到满足不是容易的，因为磁场不是容易控制，因此我们在一个永磁铁0B 上叠加一个低频交谈磁场 sin m B B t ω=，使氢质子能级能量差 ()0sin 2m h B B t γωπ +有一个变化的区域，调节射频场的频率ν，使射频场的能量h ν能进入这个区域，这样在某一瞬间等式 ()0sin 2m h B B t γωπ +总能成立。如图， 由图可知，当共振信号非等间距时共振点处 ()0sin 2m h B B t γωπ +，