光泵磁共振
光泵磁共振
物理1501 1509030115 崔汪明
摘要：通过本实验利用光泵磁共振的基本原理可以观测铷原子的磁共振信号，并测定85
Rb 和87
Rb 的塞曼子能级的朗德因子gF ，并与理论值相比较；采用光泵磁共振技术测定地磁场水平分量，然后求出地磁场的大小，与理论值比较后分析误差产生原因。 一、前言
观测气体中原子超精细结构塞曼子能级之间跃迁的磁共振信号是很困难的，1950年法国物理学家卡斯特勒（A. Kastler ）提出了光抽运方法，并荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。光抽运是用圆偏振光激发气态原子，造成不同能级原子数偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。将光抽运与射频电磁场相结合产生磁共振的方法称为光泵磁共振方法，通过探测透过样品的抽运光强来获得光泵磁共振信号，从而使信号功率提高了7～8个数量级。因此，光泵磁共振能在弱磁场（0.1～1mT ）下精确检测气体原子能级的超精细结构。
目前此方法一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，原子、分子间各种相互作用的研究。另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有实际应用价值。 二、实验原理
1. 铷原子基态和最低激发态的能级
天然铷的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %；85Rb ，占72.15%；基态轨道量子数L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数J =1/2（LS 耦合），它们的基态都是52S 1/2。在LS 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，因而最低激发态形成双重态：52P 1/2和52P 3/2。从52P 1/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 1线，波长为794.76nm ；从52P 3/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 2线，波长为780.0nm ，这两条谱线在铷灯的光谱中光强特别大。
原子的价电子LS 耦合后总角动量P J 与总磁矩μJ 的关系为
2J J J e e g P m μ=-
（1）
其中
)
1(2)
1()1()1(1++++-++
=J J S S L L J J g J （2）
m e 是电子质量，e 是电子电量。
对于核自旋量子数I ≠0的原子核，核自旋角动量P I 和核外电子的角动量P J 将耦合成一个更大的角动量P F
I J F P P P
+=（3）
P F 称为原子的总角动量，与此角动量相关的原子总磁矩为
2F F F e e g P m μ=-
（4）
其中
)
1(2)
1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g J
F （5）
F 为原子总角动量量子数，F =I+J ，I+J －1，…，|I －J |。由F 量子数表征的能级称为超精细结构能级。
在有外静磁场B 的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量
22F F F F F F F B e e
e e
E B g P B g M B g M B m m μμ=-?=?==
（6）
其中2B e
e m μ=
12410274.9--??=T J 称为玻尔磁子，F M 是P F 在外磁场方向上分量的量子数，F M ＝－F ，－F ＋１，…，F －１，F ，共有2F ＋1个值，即每一个超精细结构
能级将会产生塞曼分裂，相邻塞曼子能级间的能量差为
B g E B F M F μ=? （7）
87
Rb 和85Rb 原子的超精细结构能级在磁场中的塞曼分裂如图3-5-1所示。
图1 铷原子能级示意图
2. 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
原子吸收光产生塞曼能级间的跃迁满足能量守恒关系
E h ?=ν（8）
式中ν是光的频率，E ?是初、终态的能量差。此外，原子在能级间的跃迁还要满足选择定则
1±=?L ；1 0F ?=±，；?????-+=?-+）（入射光为）（入射光为）
（入射光为σπσ1
0 1F
M 其中+σ光为电场矢量绕磁场方向左旋的圆偏振光，-σ光为电场矢量绕磁场方向右旋的圆偏振光，π为电场矢量与磁场方向平行的线偏振光。实验中，对铷光源进行滤光和变换，只让D 1+σ光通过并照射到产生塞曼分裂的铷原子蒸气上，铷原子将对D 1+σ光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是：
（1）塞曼分裂的裂距E ?都是很小的，根据玻尔兹曼分布，相邻两个塞曼能级上原子数之比为
/1
2
B E k T N e N -?= （9） 因而，各塞曼子能级上的原子数接近均匀分布。
（2）如果考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的D 1+σ光实际包含了连续频率的光，这些光使得D 1线有一定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。
87
Rb 为例说明一下磁场环境中原子对D 1+σ光的吸收跃迁，如图3-5-2所示，5S 能级中
的8个子能级除了M F =+2的子能级外，都可以吸收D 1σ+光而跃迁到5P 的有关子能级。M F =+2的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也不能往低能级跃迁，所以这些原子数是不变的。另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S 低能级，发出自然光，跃迁选择定则是
1 0F ?=±，；1 0F M ?=±，
图2 87Rb 原子对D 1σ+光的吸收和退激跃迁
相应的跃迁见图2的右半部分。退激跃迁中有一部分原子的状态成为5S 能级中的M F =+2态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P 去的，那些回到其它7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P 能级。当光连续照着，跃迁5S →5P →5S →5P →…
这样的过程
就会持续下去，5S 态中M F =+2子能级上的原子数就会越积越多，其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D 1+σ光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S 态的M F =+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，此时透过87Rb 蒸汽的光强达到最大。
通过以上的分析可以得出这样的结论：在没有D 1+σ光照射时，5S 态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当D 1+σ光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到M F =+2的子能级上，这就是光抽运效应。各子能级上粒子数的这种远远偏离玻尔兹曼分布的不均匀分布称为“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，以使光泵磁共振信号较强。
一般情况下光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数比玻尔兹曼分布造成的粒子差数要大几个数量级。对85Rb 原子，D 1+σ光将85Rb 原子抽运到了基态M F =+3的子能级上。
3. 弛豫过程
光抽运使能级之间的粒子数差大大增加，使系统远远偏离热平衡状态，造成偏极化。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。本实验弛豫的微观机制很复杂，这里只提及与弛豫有关的几个主要过程：
（1）铷原子与容器器壁的碰撞。这种碰撞导致原子在各塞曼子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布，失去偏极化。 （2）铷原子之间的碰撞。这种碰撞导致自旋—自旋交换弛豫，使铷原子回到热平衡分布，失去偏极化。
（3）铷原子与缓冲气体之间的碰撞。在铷原子所处容器内还充有氮气等缓冲气体，由于选作缓冲气体的分子磁矩很小，碰撞对处在各塞曼子能级的铷原子扰动极小，这种碰撞对原子的偏极化基本没有影响。
以上三个过程中，铷原子与容器器壁的碰撞是失去偏极化的主要原因。在容器内充进缓冲气体可以大大减少这种碰撞，从而保持原子的高度偏极化。
要注意的是，温度高低对铷原子系统的弛豫过程有很大的影响。温度升高则铷蒸汽的原子密度增大，铷原子与容器器壁之间以及铷原子相互之间的碰撞都增加，导致铷原子能级分布的偏极化减小。当温度过低时铷蒸汽的原子数太少，光抽运信号的幅度也减小。因而实验中充铷蒸汽的恒温槽温度要控制在40～55℃之间。
4. 光探测
照射到样品上的D 1+
σ光一方面起到光抽运作用，另一方面实验中探测的是透过恒温槽的光强，这样入射到恒温槽上的光起到了光抽运与光探测两个作用。当发生光抽运和光泵磁共振时，伴随有铷原子对D 1+
σ光吸收的变化，因此透过样品的D 1+
σ光的光强发生变化，这样探测透过恒温槽的光强可得到光抽运信号和光泵磁共振信号，这就实现了光泵磁共振的光探测。
5.光抽运信号的观察
设置水平场为零，扫场方式选择“方波”，并使扫场方向与地磁场水平分量方向相反，调节扫场幅度，在示波器上可观察到如图3所示的光抽运信号。
以
87
Rb 为例说明光抽运信号的形状。在方波刚加上
的瞬间，样品泡内铷原子5S 态的8个子能级上的原子数近似相等，即每个子能级上的原子数各占总原子数的1/8，
图3 “光抽运”信号与弛豫过程
因此，将有7/8的原子能够吸收D 1+σ光，此时对光的吸收最强，探测器上接收的光信号最弱。随着原子逐步被“抽运”到M F =+2的子能级上，能够吸收D 1+σ光的原子数逐渐减少，透过样品泡的光逐渐增强。当“抽运”到M F =+2子能级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化。当“扫场”过零并反向时，各子能级简并，原来是M F =+2的原子，通过碰撞，自旋方向混杂而使各个自旋方向上的原子数又接近相等，当“扫场”反向、铷原子各子能级重新分裂以后，对D 1+σ光的吸收又达到了最大。这样周而复始，便可在示波器上观察到周期性的光抽运信号。对85Rb 原子也可做类似分析。
六. 光泵磁共振跃迁
光抽运过程使铷原子造成偏极化后，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旋转磁场，并调节射频频率ν，使之满足
B g E h B F M F μν=?=（10）
塞曼子能级之间将会发生磁共振（跃迁选择定则为1F M ?=±）。以87Rb 为例，在射频场的扰动下，处于M F =+2子能级上的原子会跃迁到M F =+1的子能级，M F =+1能级上的原子会跃迁到M F =0子能级，M F =0能级上的原子会跃迁到M F =–1子能级，…。如此下去，铷原子在5S 态的5个塞曼子能级又达到几乎均匀分布。由于D 1+σ光持续照射，因而光吸收过程重又开始，透过恒温槽的光强又降低。跃迁到5P 态的原子又会发生退激跃迁而回到5S 态。由于此时M F =+2子能级上的原子不能久留，所以，光跃迁不会造成新的偏极化。
七. 光泵磁共振信号的观察和相关参量的测量
1. 测量g F 因子
扫场方式选择“三角波”，并使水平场B DC 、扫场B S 与地磁场水平分量B e//三者方向相同。调节射频信号发生器的频率，可在示波器上观察到磁共振信号。调节射频频率将磁共振信号调到与三角波扫场的峰值对应处，如图4（a ）所示，此时的射频频率ν1与三个磁场的关系满足磁共振关系式
)(//e 1B B B g h S D C B F ++=μν（12）
再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量方向相反，调节射频频率，观察磁共振信号。将磁共振信号条件到如图3-5-4（b ）所示波形，即磁共振信号与扫场的峰值相对应，记下相应的射频频率ν2。此时
)(//2e S D C B F B B B g h ++-=-μν（13）
光泵磁共振信号
光泵磁共振信号
由（12）、（13）式得
DC
B F B h g μνν2)
(21+=
（14）
水平场B DC 可以通过水平场线圈电流I 来计算（亥姆霍兹线圈公式）
72
/310516-?=
r
NI
B D
C π（T ） （15）
式中N 和r 是两个水平线圈的匝数和有效半径。
以上介绍的是针对样品只存在一种原子的情况。事实上，样品中同时存在87Rb 和85Rb ，所以一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现的。对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其g F 因子。这里要注意，g F 因子的值不仅与原子有关，而且还与量子数F 的值有关，可以依据g F 因子的值来判断共振信号是哪一种原子引起的。对87Rb 和85Rb ，光泵磁共振发生时，基态52S 1/2上F 分别为2（87Rb ）和3（85Rb ）、磁量子数M F 为+2（87Rb ）和+3（85Rb ）的塞曼子能级上的原子向相邻能级跃迁，因而两种原子的g F 因子之比为
2
3)13(32)
25
1(25)211(21)13(3')
12(22)
23
1(23)211(21)12(2)()(85
87
=+??+-+++?
+??+-+++?=J J F F g g Rb g Rb g （16） 因而射频频率大的信号对应于87Rb 原子，射频频率小的信号对应于85Rb 原子。
2. 测量地磁场
在光泵磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量B e ??的值，这为光泵磁共振提供
了另一个应用。与测量g F 因子的方法类似，先使扫场、水平场与地磁场水平分量三者方向相同，调节射频信号发生器的频率，可在示波器上观察到磁共振信号。
调节射频频率将磁共振信号调到与三角波扫场的峰值对应处，测得同ν1’（ν1’=ν1），如图5（a ）所示。此时的射频频率ν1’与三个磁场的关系满足磁共振关系式
)('//e 1B B B g h S D C B F ++=μν（17）
(a) (b)
之后，同时改变扫场以及水平场方向，使其与地磁场水平分量方向相反，调节射频频率将磁共振信号调到与三角波扫场的谷值对应处，测得ν2’，如图5（b ）所示。此时的射频频率ν2’与三个磁场的关系满足磁共振关系式
//2('e S D C B F B B B g h +--=-μν) （18）
这样可得地磁场水平分量为
F
B g h B μνν2)
''(21//e -=
（19）
因为垂直磁场正好抵消了地磁场的垂直分量，因而从数字表头指示的垂直场电流及亥姆霍兹线圈的参数，可以确定地磁场垂直分量的数值
7e 3/232105NI
B r
π-⊥=?（T ） （20）
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，I 是垂直场线圈电流。
因此地磁场大小为
⊥+=
e 2//e 2B B 地B （21）
三、材料与方法
实验设备：光磁共振实验设备，信号发生器，射频信号发生器，XJ4400数字示波器 实验步骤：
（1）仪器约预热30分钟，待灯温、池温指示灯点亮，则实验装置进入工作状态，将垂直场方向的按键置于“上”，并给垂直磁场线圈通以0.07A 的电流，用来抵消地磁场的垂直分量。在预热过程中，借助指南针来确定扫场和水平场的方向。 （2）在扫场为方波时观察和记录铷原子光抽运信号，在实验报告中说明光抽运的基本原理、能够观察到光抽运信号的条件，并对光抽运信号的形状做详细分析。 （3）在扫场为三角波时通过调节射频频率得到铷原子的光泵磁共振信号，在水平场电流为0.24A 、0.20A 和0.18A 时，利用光泵磁共振信号测定85Rb 和87Rb 的超精细结构朗德因子g 。在实验报告中说明光泵磁共振的原理，求出85Rb 和87Rb 的朗德因子的平均值并与理论值进行比较。
（4）在水平场电流为0.24A 、0.20A 和0.18A 时，利用光泵磁共振信号测定地磁场的水平
光泵磁共振信号
(b)
光泵磁共振信号
(a)
图5测量地磁场时的光泵磁共振信号
分量，并求其平均值，根据式（20）和（21）求出地磁场的大小。 四、实验结果与讨论
1.测定85Rb 和87Rb 的超精细结构朗德因子g
实验条件：扫场抬起，电压峰峰值约为760mV ；垂直场按下，电流0.07A 确保抵消地磁场的垂直分量。射频幅度1/4圈。数据皆取自三角波峰对应共振。
实验中，水瓶场线圈匝数N=250，线圈有效半径r=0.2388m 。B0取三位有效数字。
图6测量gF 时的光泵磁共振信号 图7测量地磁场时的光泵磁共振信号
拟合v1+v2~B0直线得
由图可以看出，对87
Rb ，系数A=1365.6,对85
Rb ，系数B=915.22，代入gF 公式计算得，87
Rb
的gF=0.48784≈0.488，相对理论值0.5误差2.4%；85
Rb 的gF=0.32695≈0.327，相对理论值(1/3)误差1.9%。 误差分析：
0200400600800100012001400160018000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
v 1+v 2/k H z
B0/Gs
v1+v2~B0拟合曲线
(1).首先是共振频率选取的问题。实验中在调节射频频率的时候，是通过肉眼观察示波器信号来判断是否达到峰值的。实际上在共振频率附近调节射频频率不会对信号造成大的影响，对共振频率的选取带来困难。记录下的共振频率因此可能存在偏差。
(2).仪器的自感效应。光抽运方面的分析已经提到，线圈自感会导致方波图形失真。同样这也可能影响到共振测量中使用的三角波。
(3).仪器光路调节、垂直场调节等准备阶段可能的误差。
(4).周围磁场的干扰:虽然利用水平场的反向抵消了地磁场水平分量，但实验仍可能受到周围环境各种仪器设备变化磁场的干扰。
(5).仪器的分辨误差等系统误差、拟合直线的误差等。 (6).需要额外提到的是共振峰选取可能造成的错误。一是选取共振峰时一定要遵守一致原则，即始终取波峰或波谷对齐;二是要甄别高次谐波的影响，下面的分析会再次提到。如果出现了这样的错误将会造成巨大误差，从本实验数据符合度来看显然避免了此类错误。 2、测量地磁场
同测gF 因子的方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得v1；再按动扫场及水平场开关，使扫场水平场方向与地磁场水平分量相反，得到v2；这样由式18可以得到地磁场水平分量，再由20式可得到地磁场大小。
测量数据见下表。
表2 测量地磁场数据记录处理表
计算B e// ,
F B g h B μνν2)
''(21//
e -=
得B e// = 5.844*10-5 T 。
再由7e 3/2
32105NI B r
π-⊥=? 求出地磁场垂直分量的大小，B e ⊥ = 32πNI/53/2r*10-7
T ，得到地磁场垂直分量大小为5.036*10-5
T 。
由公式⊥+=e 2//e 2B B 地B 可求得地磁场大小为B= 7.71*10-5
T 。
五、结论
本实验以铷蒸汽原子为研究对象，利用调整后的光磁共振实验装置、信号发生器和数字示波器，观察了光抽运信号，并讨论了水平场等因素对光抽运信号的影响;利用射频信号发生器观察铷的磁共振信号，巧妙地利用水平场的反向，排除掉了地磁场水平分量的影响，方
便地测量了朗德因子gF:87Rb 为0.488，误差2.4%，85
Rb 为0.327，误差1.9%。最后又利用反向排除掉水平场和扫场的影响，计算得地磁场水平分量为0.584Gs ，垂直分量0.504Gs ，总磁场大小0.771G 。
6.626*10-34 *818*10
3
2*9.2741*10-24
*0.5
=
要做好本实验，需要注意的有点:一是水平场、垂直场和扫场方向对应关系是本实验基础，一定要仔细不可搞错;二是做光抽运观察的时候，要做好变量控制，并就一种因素深入挖掘，不必面面俱到;三是寻找共振峰、测量朗德因子时，要统一标准，且注意甄别高次谐波的影响，可以在寻峰之前计算出实验条件下各组共振频率的精确理论值，以缩小寻峰范围。
六、思考题
(1)试说明光抽运的物理过程。
以铷灯作光源。铷原子从5P到5S的跃迁有两条光谱线，一条是5P1/2→5S1/2，叫D1线，波长为794.8nm；另一条是5P3/2→5S1/2，叫D2线，波长为780nm。这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程。然而频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为
ΔL=±1，ΔF= 0，±1，ΔmF=±1
所以，当入射光为D1光作用于Rb时，由于Rb的5S1/2态和5P1/2态的磁量子数mF 的最大值均为+2，而光的角动量为h/2π，它只能引起ΔmF= +1的跃迁，故D1光只能把基态中除mF=+2以外各子能级上的原子激发到5P1/2的相应子能级上。
跃迁到5P1/2上的原子经过大约10s后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态5S1/2各个子能级上。这样，经过多次循环之后，基态mF=+2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态mF=+2子能级上。这就是光抽运效应的物理过程。
(4)如何分辨87Rb和85Rb的光泵磁共振信号？
由于样品中有87Rb和85Rb的两种同位素，调整射频场的频率时，会出现两种频率的共振信号，区分这两种共振信号的主要依据是：87Rb的g因子大于85Rb的g因子；因此根据磁共振条件公式，当场不变时，频率高的为87Rb共振信号，频率低的为85Rb的共振信号。
七、原始数据
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
核磁共振实验
核磁共振实验 发现的背景 所谓核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。核磁共振的发现，跟核磁矩的研究紧密相关。 1911年，卢瑟福根据a 粒子散射实验提出核原子模型后，直到原子光谱的超精细结构发现以后，1924年泡利才正式提出，原子光谱的超精细结构是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果；原子核应具有自旋角动量和磁矩。 斯特恩创造了分子束方法，对核磁矩作过重要研究。1933年他和弗利胥（O.Frisch ）、爱斯特曼（I.Estermann ）等人用分子束实验装置测量氢分子中质子和氘核的磁矩。所得结果表明质子磁矩比狄拉克电子理论预言的大2.5倍而氘核磁矩则在0.5到1个核磁子之间。氘核是由质子和中子组成的，由此即可推测中子也有磁矩。这说明尽管中子整体不带电，其内部却有电荷分布和电流效应。这些实验事实，激励了其他人对核的电磁特性的探索。 拉比的分子束磁共振方法对斯特恩实验作了重大改进。改进的关键在于利用了共振现象。二十年代末，拉比访问欧洲时，就在斯特恩的实验室里工作了一年，研究原子磁矩的测量。1929年，他回到哥伦比亚大学开展原子束分子束的研究。后来他受到荷兰物理学家哥特（C.J.Gorter ）的启发，并于1938年把哥特射频共振法应用于分子束技术，创立了分子束共振法。 拉比对分子束磁共振方法的研究和布洛赫对核磁共振的研究都是受到了斯特恩的启发。 分子束磁共振方法在1945-1946年间又取得了突破性的进展，这就是通过磁共振的精密测量，发现了核磁共振。 人物介绍 图11.1 布洛 赫 图11.2 珀塞尔 布洛赫 Felix Bloch 珀塞尔 Edward Purcell
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
光泵磁共振实验
7-7 光泵磁共振实验 光磁共振，是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程, 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。所研究的对象是碱金属原子铷Rb 。天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb 占27.85 %，85Rb 占72．15%。 气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验中应用了光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值。通过实验可加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 一．实验目的： 1、了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象。 2、测量铷（Rb ）原子的F g 因子及地磁场的大小。 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。它们的激态都是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D 1和D 2线，它们的波长分别是794.8nm 和780.0nm （见图7-7-1）。 通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩μJ 为： J J J P m e g ρρ 2-=μ 其中 ) 1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 就是著名的Longde 因子，m 是电子质量，e 是电子电量。 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
磁共振图像后处理算法设计
地理与生物信息学院 2012/ 2013 学年第二学期 实验报告 课程名称：医学成像技术 实验名称：磁共振图像后处理算法设计 班级学号: B10090405 学生姓名: 陈洁 指导教师: 戴修斌 日期：2013 年 5 月
一、实验题目：磁共振图像后处理算法设计 二、实验内容： 1．对图像进行去除噪声操作 ； 2．对图像进行灰度变换操作 ； 三、实验目的： 1.加强下同学们实际的动手编程能力 ； 2.重在体验和过程 ； 四、 实验过程： 实验1：对图像进行去除噪声操作： 1．操作步骤： 1) 对图像加入高斯噪声 2) 使用中值滤波对图像进行去噪处理 3) 模板尺寸设为5×5，也可自己设定 4) 图像边缘缺失部分使用对称方法补足 51141671 81 91 71819151141611 21 31 1121311121511471 81 71 51113121161481 311691 91 1471 81 51718171 51711481 91 1691811691 91
2． 算法实现流程： 1) 读入图像函数：imread()，中值滤波函数：medfilt2()； 实验2：对图像进行灰度变换操作 1．操作步骤： 1) 原图像灰度范围[50 150]内的像素灰度值转成[10 250]范围； 2) 原图像灰度范围[50 150]内的像素灰度值转成[20 200]范围； 2.算法实现流程： 源代码： clear;clc; iptsetpref('ImshowBorder','tight'); I = imread('C:\Documents and Settings\nupt\桌面\4.bmp'); J = imnoise(I,'gaussian',0.02,0.02); K = medfilt2(J,[5,5]); figure,imshow(I),title('原图'); figure,imshow(J),title('高斯噪声'); figure,imshow(K),title('中值滤波'); f (x , y ) a m b n g (x , y ) ?? ?? ???>≤≤+---<=b y x f n b y x f a m a y x f a b m n a y x f m y x g ),( ),( ]),([),( ),(
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)
核磁共振成像实验报告
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名 同组者： 教师： 核磁共振实验 【实验目的】 1、理解核磁共振的基本原理； 2、理解磁体的中心频率和拉莫尔频率的关系，并掌握拉莫尔频率的测量方法； 3、掌握梯度回波序列成像原理及其成像过程； 4、掌握弛豫时间的计算方法，并反演 T1和T2谱。 【实验原理】 一．核磁共振现象 原子核具有磁矩，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向B 0作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图1所示。 图1 质子磁矩的进动 在主磁场中，宏观磁矩像单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor ）方程：. 0/2f B γπ= 二、施加射频脉冲后(氢)质子状态 当生物组织被置于一个大的静磁场中后，其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态。施加的射频脉冲越强，
持续时间越长，在射频脉冲停止时，M离开其平衡状态B0越远。 如用以Ｂ０为Ｚ轴方向的直角座标系表示Ｍ，则宏观磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而纵向磁化矢量Ｍｚ＝０，横向磁化矢量Mxy最大，如图2所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加180°脉冲后，Ｍ与Ｂ０平行，但方向相反，横向磁化矢量Ｍｘｙ为零，如图3所示。 图2 90°脉冲后横向磁化矢量达到最大 图3 180°脉冲后的横向磁化分量为0 三、射频脉冲停止后（氢）质子状态 脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当90°脉冲停止后，Ｍ仍围绕Ｂ０轴旋转，Ｍ末端螺旋上升逐渐靠向Ｂ０，如图4所示。 图4 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 1. 纵向弛豫时间（T1） 90°脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时
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。
光泵磁共振实验数据处理
光泵磁共振实验数据处理
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光泵磁共振实验数据处理 观察光泵磁共振现象: 测量超精细结构因子及地磁场水平分量 、原始数据处理 水平场 电流I /mA B 直/ T (Ru85)/ K Hz (R u 8 7)/KH z 扫场方向 扫场方向 平均值 扫场方向 扫场方向 平均值 30 0 0.0 0 7 7 62.5 1 3 50 0. 3 947 87 06 400 0. 5 104 8 976.5 8. 5 450 0. 12 1 1 62 1 087 1. 5 5 0 0 0 . 22 127 2 11 9 7 1 6 89 1 90 3 1796 550 0. 3 6 20 6 1 1 953.5 其中，外加水平直流场 B 直 二16厂N 10 7T 5 r
、R u85数据线性拟合处理 1、线性拟合结果 Ru85数据线性拟合图 拟合结果为：=1 1 0. 2 2 0+ 4.682 106 B 直 KHz 2、根据二K+AB 直 得出 K=11 0.2 20, A = 4.682 1 06 。 /KHz 1300 - Equati on y = a + b*x Adj. R-Square 0.99996 Value Sta ndard Error A In tercept 110.22036 2.77776 A Slope 4.68175E6 13819.42851 1200 一 1100 1000 900 - 800 0.00014 0.00016 0.00018 0.00020 0.00022 0.00024 /T
核磁共振成像实验报告
核磁共振成像实验 【目的要求】 1.学习和了解核磁共振原理和核磁共振成像原理； 2.掌握MRIjx 核磁共振成像仪的结构、原理、调试和操作过程； 【仪器用具】 MRIjx 核磁共振成像仪、计算机、样品（油） 【原 理】 磁共振成像（MRI ）是利用射频电磁波（脉冲序列）对置于静磁场B 0中的含有自旋不为零的原子核（1H ）的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈检测技术获得物质的组织驰豫信息和氢质子密度信息（采集共振信号），用梯度磁场进行空间定位、通过图像重建，形成磁共振图像的方法和技术。 具体的讲，核磁共振是利用核磁共振现象获取分子结构、样品内部结构信息的技术。当具有自旋的原子核的磁矩处于静止外磁场中时会产生进动和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋的原子核会吸收特定频率的无线电射频电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。在停止射频脉冲后，原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被物体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就是做核磁共振成像过程。 MRI 的特点： ● 具有较高的物质组织对比度和组织分辨力，对软组织分辨率极佳，能清晰地显示软组织、软骨结构，解剖结构和医学上的病变形态，显示清楚、逼真。 ● 多方位成像，能对被检查部位进行横断面、冠状面、矢状面以及任何斜面成像。 ● 多参数成像，获取T 1加权成像（T 1W1）：T 2加权成像（T 2W2）、质子密度加权成像(PDW1)，在影像上取得物质的组织之间、组织与变化之间T 1、T 2和PD 的信号对比，在医学上对显示解剖结构和病变敏感。 ● 能进行形态学、功能、组织化学和生物化学方面的研究。 ● 以射频脉冲作为成像的能量源，不使用电离辐射，对人体安全、无创。 一、核磁共振原理 产生核磁共振信号必须满足三个基本条件：（1）能够产生共振跃迁的原子核；（2）恒定的静磁场（外磁场、主磁场）B 0；（3）产生一定频率电磁波的交变磁场，射频磁场（RF ）；即：“核”：共振跃迁的原子核；“磁”：主磁场B 0和射频磁场RF ；“共振”：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。 1. 原子核的自旋和磁矩 原子核由质子和中子组成，原子核有自旋运动，可以粗略的理解为原子核绕自身的轴向高速旋转的运动，对应有确定的自旋角动量，反映了原子核的内禀特性。自旋的大小与原子核中的核子数及其分布有关，质子数和中子数均为偶数的原子核，自旋量子数I=0，质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数，质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。原子核自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I 决定， )(1+=I I l I 。 原子核具有电荷分布，自旋时形成循环电流，产生磁场，形成磁矩，磁矩的方向与自旋角动量方向一致，大小I P γγμ==，P 是角动量，γ是磁旋比，等于
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。
电子科技大学学院
电子科技大学生命科学与技术学院标准实验报告 （实验）课程名称《医学成像技术》 电子科技大学教务处制表
电子科技大学 实验报告 学生姓名：陈睿黾学号：2209101028指导教师：廖小丽 实验地点：人文楼418 实验时间：2006.6.2 一、实验室名称：医疗仪器实验室 二、实验项目名称：傅立叶变换核磁共振一维、二维成像 三、实验学时：4学时 四、实验原理： 利用样品的原子核在梯度磁场及高频电磁场的激励下产生的自发辐射信号的频率和相位因空间位置不同而不同来进行成像。 五、实验目的： 对磁共振成像整个过程进行了解，同时对每一个参数改动后对磁共振信号及图像影响的效果有直观的认识，了解一维、二维成像原理，进一步熟悉磁共振成像原理。 六、实验内容： 采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各参数对一维成像的影响进行观察。 了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。了解瞬间梯度场的梯度大小和瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。 七、实验器材： GY-CTNMR-10KY核磁共振成像实验仪、计算机、注油三孔实验样品 八、实验步骤： 1．按实验要求连线。 2．开机预热。
3．将注油三孔样品放入样品池中，打开磁共振成像软件，设置共振频率：按下“参数设置”页面再按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换的频谱图，调节“频率设置”中间的按钮，直至出现波形符合预期目标的图形。 4．调节匀场：分别调节电源上匀场调节电位器并同时调节软件中的XY 匀场至傅立叶频谱图中峰最尖锐最高信号最长，适当调节共振频率，使波形看上去尽量平滑。 5．设置Z 梯度场和一维成像：调偏Z 匀场调节使峰变宽变低，同时出现Z 轴线上投影的一维成像信号。调节Z 梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间。 6．二维磁共振成像记录：按下“成像记录及操作”，然后按下“记录”等待2分钟，记录结束计算机会提示结束并且“采集”不再闪动。按下“二维傅立叶变换”这时你调节“行选择”可以看到每一列二次傅立叶变换的谱图。按下“成像彩色显示”即可得到所需的成像彩色密度图。 九、 实验数据及结果分析： 1．一维成像： 开机预热，磁铁温度在34.62℃，匀场电流为19.4mA 。 放入注油三孔样品，打开核磁共振成像软件，调节共振频率及相关参数，通过观察，发现在第一脉冲宽度为12S μ、第二脉冲宽度为24S μ、脉冲间隔为15mS 、XY 匀场电流分别为38mA 、5mA 、共振频率在18.7402MHz 附近时波形较好、噪声较小。 观察自由衰减信号及其频谱，逐渐加大梯度场观察到信号及频谱的变化，在无梯度场时无法区分任何空间信息，如图（1）。
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
医学实验报告模板
泸州医学院 本科学生设计性实验报告 专业年级班级 组长姓名 小组成员 课程名称 时间 实验设计方案： 篇二：标准实验报告格式(医学成像技术) 电子科技大学生命科学与技术学院 标准实验报告 （实验）课程名称《医学成像技术》 电子科技大学教务处制表 电子科技大学 实验报告 学生姓名：陈睿黾学号： 2209101028 指导教师：廖小丽实验地点：人文楼 418 实验时间：2006.6.2 一、实验室名称：医疗仪器实验室 二、实验项目名称：傅立叶变换核磁共振一维、二维成像 三、实验学时：4学时 四、实验原理： 利用样品的原子核在梯度磁场及高频电磁场的激励下产生的自发辐射信号的频率和相位 因空间位置不同而不同来进行成像。 五、实验目的： 对磁共振成像整个过程进行了解，同时对每一个参数改动后对磁共振信号及图像影响的 效果有直观的认识，了解一维、二维成像原理，进一步熟悉磁共振成像原理。 六、实验内容： 采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各参数对 一维成像的影响进行观察。 了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。了解瞬间梯度场的梯度大小 和瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。 七、实验器材： gy-ctnmr-10ky核磁共振成像实验仪、计算机、注油三孔实验样品 八、实验步骤： 1．按实验要求连线。 2．开机预热。 3．将注油三孔样品放入样品池中，打开磁共振成像软件，设置共振频率：按下“参数设 置”页面再按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换 的频谱图，调节“频率设置”中间的按钮，直至出现波形符合预期目标的图形。 4．调节匀场：分别调节电源上匀场调节电位器并同时调节软件中的xy匀场至傅立叶频 谱图中峰最尖锐最高信号最长，适当调节共振频率，使波形看上去尽量平滑。 5．设置z梯度场和一维成像：调偏z匀场调节使峰变宽变低，同时出现z轴线上投影的 一维成像信号。调节z梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间。 6．二维磁共振成像记录：按下“成像记录及操作”，然后按下“记录”等待2分钟，记