第２８卷第２期 大学物理实验 Ｖ０ｌ＿２８ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１５ ２０１５年４月 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ０Ｆ ＣＯＬＩ ＧＥ 文章编号：１００７－２９３４（２０１５）０２－００１８－０６ 弛豫对光磁共振实验的影响 赵斌，张宇亭，王茂香 ２１００９４） （南京理工大学，江苏南京摘 要：研究了弛豫对光磁共振实验的影响，弛豫过程影响粒子的分布，进而影响光抽运信号以及 光磁共振信号的观测，但是对ｇ因子的测量几乎没有影响。本文的研究结果将会加深对光磁共振实验 及仪器工作原理的认识。 关键词：光磁共振；弛豫过程；ｇ因子 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１４１３９／ｊ．ｅｎｋｉ．ｅｎ２２—１２２８．２０１５．０２．００５ 中图分类号：０４—３３ 平衡系统由于周围环境的变化或受到外界的 给我们一个机会来观察弛豫（受池温影响）对光 抽运信号、光磁共振信号以及ｇ因子测量的影响。 作用将变为非平衡状态，这个系统再从非平衡状 态过渡到新的平衡态的过程就称为弛豫过程。弛 豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而 交换能量，最后达到稳定分布的过程。在光磁共 振实验中，通过圆偏振光照射，形成粒子数偏极 化，但是粒子数偏极化是一个非平衡状态。铷原 子通过与容器壁碰撞和原子之间等的碰撞，系统 １．１ 实验原理 １．１ 铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 本实验研究的铷原子（Ｒｂ）是一阶碱金属原 子，含有两个同位素，即。 Ｒｂ和盯Ｒｂ。根据ＬＳ耦 合产生精细结构 ，它们的基态是５ ｓ 即轨道 １ 返回到热平衡状态，这个弛豫过程是使粒子数失 去偏极化的主要原因，光抽运和弛豫过程共同影 响着原子系统的偏极化程度 引。为了提高粒子 量子数Ｌ＝ｏ，电子白旋量子数ｓ＝÷，那么轨道角 二 的偏极化程度，常常在样品泡中充适量的惰性气 体（如氮、氖等分子磁矩很小的缓冲气体）来加强 弛豫的进行，而且实验中还需要样品泡达到一定 的温度，这是因为粒子之间的碰撞与系统的温度 密切相关。 动量和自旋角动量耦合成总的角动量，其量子数为 Ｊ。铷原子最低激发态是５２ｐ， 和５ｚＰ， ：的双重态， 对。 Ｒｂ，５ Ｐｌ／２ ５ ｓｌ／２为Ｄ１线（Ａ】＝７９４．８ ｎｍ）， ５２ｐ３／２ ｓ１／２为Ｄ２线（Ａ２＝７２０ ｎｍ）。另外铷原 厶 子具有核自旋，，其中 Ｒｂ的，＝÷， Ｒｂ的，＝ ０ 本实验用的是ＤＨ８０７Ａ型光磁共振实验装 置，在光磁共振信号源的面板上，有两盏指示灯，标 注为灯温和池温。灯温指示光源的温度，实验中用 铷光谱灯作为光源，要求控温温度达到９０℃；池温 指示灯显示铷吸收池的温度，实验要求达到５５ 。 ÷，相应的核自旋角动量为Ｐ，，核磁矩为 ，。核 二 自旋Ｐ，与电子的总角动量Ｐ，耦合成原子的总角 动量Ｐ，，即ＰＦ＝Ｐ，＋ＰＪ，上式中下角Ｆ为总量 子数，耦合后Ｆ＝Ｊ＋，，…，Ｉ ｌ，一 １。 对总量子数Ｆ，磁量子数ｍ ＝Ｆ，…，一Ｆ，即 为了达到工作状态，每次实验前必须预热３０ ｍｉｎ，当 两个指示灯都亮了的时候，才可以进行实验。在 实验过程中我们发现每次都是灯温的指示灯先 亮，再等十五分钟左右池温的指示灯才亮。这就 收稿日期：２０１４－１０－２３ 分裂为２Ｆ＋１个能量间隔的赛曼子能级，如图１ 所示。 ｝通讯联系人 弛豫对光磁共振实验的影响 ５２ｐｌ ５ Ｄｌ ＋２ ＋１ Ｏ 一１ ２ —５Ｚｐｌ ＋１ ０ 一ｌ Ｉ Ｉ 篓 ；超纂羯ｉ塞曼分裂 （ａ１ ”Ｒｂ 图１铷原子能级示意图 当原子在磁场Ｂ中时，对于原子的超精细能 级上的塞曼分裂，相邻两个塞曼子能级的能量差 值为： ｚｌＥ＝ｇｒ／ｚ口Ｂ Ｌ ： ０ １ ｊ 一 （１） ０ ●Ｊ （１）式中， ＝ 为玻尔磁子，ｇ，是原子超精 ¨ Ｎ １●●●Ｊ １Ｊ 细能级的ｇ因子 １．２ 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运过程 （８） ［ｂ） ． １ 光抽运是指在磁场中用偏振光照射原子，偏 Ｉ ９ ｌ 振光只能引起原子某些特定塞曼能级之间的吸收 跃迁，这种跃迁（原子吸收偏振光后）不但要满足 能量守恒还要满足角动量守恒定律。对塞曼效应 原子能级跃迁，选择定则△Ｆ＝０，±１。当用铷原 子Ｄ 线左旋圆偏振光照射铷原子时，角动量为矗 的光子与原子相互作用，只能产生△Ｆ＝＋１的跃 迁，对于盯Ｒｂ的５ ｓ１ ２和５２Ｐｌ／２态的磁量子数ｍＦ 最大值都是＋２．因此基态５２ｓ 中ｍ ＝＋２子能 级的粒子跃迁为零。而粒子会从５２ｐ 自发跃迁 （ａ）吸收Ｄ ｝ 光的跃迁，基态ｍ ＝２的粒子不能跃 迁；（ｂ）自发跃迁回到基态所有子能级，ｍＦ＝２能级上粒子 数增加 图２卵Ｒｂ光泵过程 １．３塞曼能级间的光磁共振 在磁场Ｂ中，相邻两个赛曼子能级的能量差 由式（１）给出，这时若加一频率为 的射频磁场， 并使 等于相邻塞曼子能级差，有 ｈｖ１＝ＡＥ＝ｇｒｔｘＢＢ （２） 到５２ｓ ，于是原子几乎以相等的概率回到基态的 各塞曼能级上，从而使得磁量子数ｍ ＝＋２粒子 数增加，如图２所示。经过若干循环后，基态ｍ ＝＋２子能级上的原子只进不出，使得粒子数大 大增加，形成粒子数反转，这就是光抽运效应。粒 子在各能级间的非平衡分布称为粒子偏极化。 满足式（２），则塞曼子能级之间将产生光磁共振。 在实验中，由于踮Ｒｂ和 Ｒｂ的ｇ值不同（。 Ｒｂ的 ｖ／Ｂ＝４．７×１０ ＭＨｚ．Ｔ～，。 Ｒｂ的ｖ／Ｂ＝７．０× 弛豫对光磁共振实验的影响 趋于平衡态，即在每个塞曼能级上粒子基本均匀 号幅度变化比较快，实验中从开机到灯温指示灯 分布，因此发生光磁共振时，参与塞曼能级跃迁的 亮需要２ ｍｉｎ，说明了灯温对粒子数分布的影响， 粒子就多，观察到的光磁共振信号就比较强。 随后变化缓慢，最后趋于稳定直至弛豫饱和。实 同样地我们追踪了光磁共振信号强度随时间 验过程中，在仪器的瞬间是没有共振信号的。比 的演化过程。 较光抽运信号和光磁共振信号随时间演化的过 程，我们发现光磁共振信号幅度更容易达到最大 值，大概在８ ｍｉｎ左右，而光抽运信号则要到１１ ｍｉｎ才能达到最大。这是因为射频磁场的加入， 增强了粒子在赛曼能级之间的跃迁，进而影响了 粒子数的分布。 ２．３ ｇ因子测量 采用扫频法来探测光磁共振信号，即：固定扫 场和水平场的大小，调节射频磁场使之产生共振 进行观测。实验分为两个部分：弛豫饱和前，即灯 ｔ／ａｒｉｎ 温指示灯亮而池温指示灯未亮；弛豫饱和后，即灯 图６光磁共振信号强度Ａ随时间ｔ变化图 温和池温的指示灯都亮了。记录数据得到表１ 由图４可以看出，与图３相似，前两分钟内信 和２。 表１弛豫饱和前 将表１和２中的实验数据代人公式（１０）、 一 （１ｔ）中，可以算出ｇ因子 －＝ 。％ ＝０．２％ 弛豫饱和前： 了ｇ标 ｕ：』兰— ＿＝墨 × 。。％：。由上面两组数据可以计算出弛豫饱和前后的 ．２％， ｇ因子，可以看出弛豫对ｇ因子的测量似乎没有 太大的影响。 ，：』兰 ｛＿ｌ ｘ。。。％：。光磁共振信号的产生源于外场能量等于塞曼 ． ５％ 能级之间的能量差。而前面分析光抽运信号时， ３若标 我们知道弛豫只影响粒子数分布的偏极化程度， 弛豫饱和后： 不会改变塞曼能级的大小，因此发生光磁共振所 ：』兰— ！竺』× 。。％：。需要的射频磁场大小是不会改变的，因此对ｇ因 ．２％， 子的测量几乎没有影响。 弛豫对光磁共振实验的影响 抽运信号波形成因的探究［Ｊ］．物理与工程，２０１１， ３结 论 ２１（３）：６２． 周健，俞熹，王煜．光磁共振实验中壁弛豫过程与外 弛豫是一个热力学过程，与系统的温度密切 磁场的关系［Ｊ］．大学物理，２００９，２８（６）：２６． 相关。弛豫程度影响偏极化粒子回到平衡态的数 李相银，徐永祥，王海林，等．大学物理实验［Ｍ］．北 量，影响粒子能级跃迁的数目，进而使光抽运信号 京：高等教育出版社，２００９． 和光磁共振信号的幅度受到影响。但是弛豫不会 池水莲，林斌，谢汇章．光磁共振实验中扫场及水平 改变塞曼能级的大小，光磁共振的频率不会改变， 场取值关系的探讨［Ｊ］．大学物理，２０１２，３１（８）：２９． 因此对ｇ因子的测量不会产生影响。希望该研究 金泽渊，王亚妮．光磁共振中光抽运的原理及对共 振现象的影响［Ｊ］．２００４，１７（４）：５３． 能够加强对大学物理实验及其仪器工作原理的 彭军．光磁共振设计性实验思路和教学效果［Ｊ］．大 理解 学物理实验，２０１０（１）． 参考文献： １Ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ ［１］ 曾昭明，陈宜保，袁科亮，等．光泵磁共振实验中光 Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ＺＨＡＯ Ｂｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ—ｔｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｍａｏ—ｘｉａｎｇ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ，ｂｕｔ ｉｔ ｈａｄ ｎｏ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｇ ｆａｃｔｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｌｍｏｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｌｌ ｄｅｅｐｅｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ— ｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｇ ｆａｃｔｏｒ
