光磁共振设计性实验思路和教学效果

彭军

(广州大学,广州 510006)

光磁共振设计性实验思路和教学效果

彭军

(广州大学,广州 510006)

结合光磁共振实验的物理图像,提出测量朗德因子gF和地磁场的实验方案设计思路,并总结该实验近年教学的效果。

光磁共振;设计性实验;思路;教学效果

作为设计性的近代物理实验,光磁共振实验在核磁共振的基础上,运用了光放大和光探测的手段,还结合了塞曼效应、磁共振等复杂的知识内容。

利用光磁共振测量朗德因子 gF和地磁场及其他弱磁场,测量过程中要充分考虑多种条件,并分析复杂的波形和信号规律,学生在设计实验方案时往往感觉有一定难度。

设计测量方案应有相应思路,应在理解物理过程的基础上抓住本质的规律来提出测量方案,并提出具体问题的解决方法。

1 理解光抽运条件和磁共振条件

1.1 从塞曼效应图像出发理解光抽运

1.1.1 塞曼能级上的粒子数反转

天然铷原子有85Rb和87Rb。磁场中铷原子能级产生塞曼分裂。一般的教材与文献都以左旋光σ+照射下87Rb的粒子抽运为例作解释。σ+的选择定则是ΔmF=+1,因激发态上没有 mF=+3的塞曼能级,所以基态mF=+2的塞曼能级不会有受激跃迁;而在由激发态向基态的自发辐射中包括mF=+2在内的所有基态塞曼能级都会获得粒子,经过往复过程,粒子被抽运到 mF=+2的基态能级上,实现粒子数反转。可以据此举一反三确定其他三种情况:σ+照射下85Rb和σ-照射下的85Rb、87Rb光抽运。

1.1.2 光抽运条件及输出信号

铷原子样品泡处于地磁场和实验装置的各个线圈磁场中。以B0P和B0⊥分别表示水平方向和垂直方向的总磁场:

若要获得幅度最大的方波扫场光抽运信号图像,则总磁场必为中心过零的方波:

图1 两种扫场的光抽运信号

图1中,扫场过零时由于光能量被 Rb气体吸收用于光抽运,出现透射光强削弱过程,经过弛豫过程(输出光信号曲线中弯曲部分)透射光强恢复原来的水平。

因为满足(4)、(5)式时光抽运信号幅度的大小取决于扫场交流信号的大小,所以观察光抽运信号时扫场幅度宜大。

1.1.3 磁共振条件

磁共振发生在光抽运能级与相邻塞曼子能级间,当射频信号满足

时,可观察到共振信号。

由于光抽运是产生磁共振的必要条件,所以应当用光抽运能级量子特征求出朗德因子 gF的理论值,作为实验参考的理论值。

2 实验方案设计

2.1 测量地磁场的思路

2.1.1 测量地磁场垂直分量

在进行测量前,应当用指南针判断并设置实验装置与地磁场水平方向平行;在测量过程中必须移开指南针以免带来误差[1]。

当如图1的光抽运信号幅度最大时,如(5)式,垂直方向上两个磁场分量刚好等值反向,由垂直场电流可计算地磁场垂直分量B0⊥。

2.1.2 用光抽运信号测量地磁场水平分量

用光抽运信号可以判断地磁场垂直分量B0⊥的大小,还可以测量地磁场水平分量的BOP大小。

当扫场、水平场与地磁场反向并观察到均匀的光抽运信号时,三个磁场互相抵消,

共振频率 v与总磁场B合成线性关系,但是BeP、BP、BS中能根据电流准确计算出磁场大小的只有BP。可以通过换向的方法,在联立式子中找到v与BP的线性关系,并计算朗德因子 gF。

当扫场、水平场均与地磁场反向时,有两种情况

保持扫场幅度不变,水平场与地磁场、扫场反向并出现均匀的光抽运信号时,另一大小的水平场与地磁场、扫场抵消,

将两次观察到均匀光抽运信号时的表达式(7)、(8)相加,可得到

2.1.3 用磁共振信号测量地磁场水平分量

在DH807型光磁共振实验装置的说明书中,介绍了用磁共振信号测量地磁场水平分量BeP的方法[2]。值得注意的是,说明书中仅介绍了水平磁场较大时的情况,而没有说明水平磁场较小的情况。

当扫场、水平场与地磁场同向时,由(1)式和

(6)式可得

当扫场、水平场均与地磁场反向时,有两种情况

将(10)式和(11)式联立有

在DH807实验装置的辅助源调节范围中,以上两种情况均可得到。需要注意的是,在观察磁共振信号时扫场幅度不宜大[3],否则会增大误差或造成信号误判。

在文献[4]中,提出利用各磁场间方向和数值关系的变化来测量地磁场的更多方法,其设计的测量方案灵活而丰富。

2.2 测量朗德因子的思路

2.2.1 转换方向测量朗德因子 gF

在DH807实验装置中,水平线圈与垂直线圈的磁场大小可以由磁场电流计算得到。当满足(5)式垂直方向合磁场为零时,总磁场为水平方向上的BeP、BP、BS叠加。

由以上分析可知,在设计实验时不但要设计实验方法,还要预定好测量时水平线圈的电流取值范围。

2.2.2 利用v BP的线性关系测量gF

v BP具有线性关系,通过线性拟合的方法可以求得朗德因子 gF。

当然,用这种方法也需要注意磁场的方向。如果水平磁场与其他磁场反向,在小电流条件下拟合曲线有可能是负斜率的。

除以上两种主要的测量方法外,许多文献还介绍了其他方法[5,6]。

2.3 设计完整的实验方案

2.3.1 搜集资料并比较各种方法的优劣

在论文检索资源中,讨论光磁共振的文献有很多。设计自己的实验方案前,需要充分理解实验原理,比较文献的方法,设计出自己的测量方法,根据使用设备情况确定测量的数据范围。

不同的测量方法,有不同的条件和效果。例如对本文1.1.2和1.1.3中介绍的两种方法进行比较,由于(7)式要求水平线圈和扫场线圈的磁场加起来要跟地磁场水平分量抵消,这两个磁场就不可能在大范围变化,不利于多次测量;但是,从(9)式来看,这种方法跳过了计算朗德因子这一步,不会引入gF值的误差,从这一方面来说有其独到的好处。

2.3.2 估计测量中会出现的实验现象

(1)由于σ+和σ-两种圆偏振光作用的物理对称性,它们的光抽运信号和共振信号是相同的;

(2)在自然界中存在两种铷的同位素85Rb和87Rb,它们的丰度、朗德因子 gF是不一样的,因此,对应同一磁场值,共振频率应该有两个,在这两个频率上的共振吸收深度也不相同[6,7];

(4)由于实验地点纬度有差异,垂直场线圈的电流会与说明书上的电流预设值不同;

除以上问题外,还有具体到实验设备的估计,例如在哪个范围内改变电流或信号发生器的频率比较合适、多次测量时各测量点的间距多大、实验场所存在的干扰磁场信号等。

2.3.3 提高评价实验方法的能力

在做实验和撰写实验报告时,不少学生觉得棘手的不一定是测量过程或数据处理,而是对实验方法的把握。当参考文献有一定数量时,学生往往不知道自己应该采取哪种方案。哪些文献提出的方法是可靠的?哪些方法可行性更高?只有全面了解实验理论,才能够具备评价实验方法的能力,找出适合自己的实验方向,并得到自己的实验方案。

对实验设备的了解也十分重要。例如:水平方向上各磁场的交直流情况、对总磁场的影响和对光吸收的影响,是确定实验方案的关键。

设计性实验除了训练学生的理论水平和应用能力外,还重在训练学生的创新能力。能够针对具体的文献选择实验方向,明确实验条件并自主完成实验并不是特别困难的事,进行实验设计时应该对自己有信心。需要明白的是:经过详细的学习和分析,真正明白实验的原理和找到实验关键,可以做得和那些在期刊中发表相关文献的作者一样好。

3 光磁共振设计性实验的教学效果

在近年物理学专业的教学实践中,严格要求每个学生都要设计实验方案,对一些灵活钻研的学生来说,他们能轻松地完成实验任务;对一些习惯于依赖老师手把手教实验的学生来说,困难很大。完成一个近代物理实验的学时数是六课时,大概有30%～80%的学生能够在课内完成,这个比例在不同年级不一样,原因可能是各班级的总体学习水平有差异,他们的普通物理实验修养也有差异。效果比较好的班级中,大部分学生能顺利按时完成实验,没有完全相同的实验方案,即使是安排在同一小组做实验的同学,也各有千秋。

那些不能及时完成实验的学生,可以在实验室开放时来重做实验;同样地,不少学生对设计性实验产生很大兴趣,也来多做几次,每次都会有能力和信心的提高。

欣喜地发现,除了教材和文献中给出的实验方案以外,不少学生还自行设计了多种测量方法,说明设计性实验有锻炼能力的实际意义,为学生提供了创新发展的机会。

[1] 陈敬贵,卓建银,王洪涛.光磁共振实验中小磁针对g因子误差的影响[J].物理测试,2005,23(6): 16-17.

[2] DH807A型光磁共振实验装置技术说明书[Z].北京.北京大华无线电仪器厂.

[3] 王洪涛,王振国,金清理.光磁共振实验最佳扫场参数的确定和抽运信号图分析[J].物理测试,2005, 23(2):45-48.

[4] 王林茂,羊现长.利用光泵磁共振测定地磁感应强度的实验探讨[J].海南师范学院学报,2003, 16(4):33-36.

[5] 李潮锐.光磁共振实验的数据拟合方法[J].物理实验,2004,24(7):37-39.

[6] 熊正烨,吴奕初,郑裕芳.光磁共振实验中测量值方法的改进[J].物理实验,2000,20(1).

[7] 郑裕芳,李仲荣.近代物理实验[M].第1版.广东:中山大学出版社,1989:406-411.

[8] 汪华英,李兰秀.光泵磁共振信号幅度与射频场振幅的关系[J].物理实验,2005,25(7):30-32.

Thoughtsand Teaching Effects on the Devised Experiment of Optical Pumping Magnetic Resonance

PENG Jun

(Guangzhou University,Guangzhou 510006)

By the physical imagesof the op tical pumping magnetic resonance,the paper bringsabout the devising thoughts on the experiment scheme in measuring Landg-facto r gFand local geomagnetic.It also summarizes the teaching effects of this experiment in recent years.

op tical pumping magnetic resonance;devised experiment;devising thoughts;teaching effects

O 472+.6

A

1007-2934(2010)01-0022-04

2009-10-15