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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

。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

谱线，52P

3/2

→５２S

1/2跃迁产生波长7800?的D

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

的关系为

(1)

(2)

是朗德因子，J、L和S是量子数。

核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述原子的电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。这附加分裂称为超精细结构。铷元素在自然界中主要有两种同位素，Rb87占27.85%, Rb85占72.15%。两种同位素铷核的自旋量子数I是不同的。核自

旋角动量P

I 与电子总角动量P

耦合成P

,有P

＝P

＋P

。JI耦合形成超精细结构

能级，由F量子数标记，F=I+J、…, │I-J│。Rb87的I=3/2,它的基态J=1/2,具有F=2和F=1两个状态。Rb85的I=5/2，它的基态J=1/2，具有F=3和F=2两个状态。

整个原子的总角动量P

F 与总磁矩μ

之间的关系可写为

(3)

其中的g

F 因子可按类似于求g

因子的方法算出。考虑到核磁矩比电子磁矩小约3

个数量级，μ

F 实际上为μ

在P

方向的投影，从而得

(4)

g F 是对应于μ

与P

关系的朗德因子。以上所述都是没有外磁场条件下的情况。

如果处在外磁场B中，由于总磁矩μ

与磁场B的相互作用，超精细结构中

的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数M

来表示，则

M F =F,F-1,…,-F，即分裂成2F+1个子能级，其间距相等。μ

与B的相互作用能

量为

)

式中μ

为玻尔磁子。Rb87的能级、Rb85的能级见图，为了清楚，所有的能级结构图均未按比例绘制。各相邻塞曼子能级的能量差为

(6)

可以看出△E与B成正比。当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来能级。

（二）增大粒子布居数之差，以产生粒子数偏极化

气态Rb87原子受D

σ╋左旋偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则

△F=0,±1 △M

=+1

在由５２S

1/2能级到 52P

1/2

能级的激发跃迁中，由于σ╋光子的角动量为+h，只

能产生△M

F =+1的跃迁。基态M

=+2子能级上原子若吸收光子就将跃迁到M

=+3

的状态，但52P

1/2各子能级最高为M

=+2。因此基态中M

=+2子能级上的粒子就不

能跃迁，换言之其跃迁几率为零。见图。由52P

1/2到５２S

1/2

的向下跃迁（发射光

子）中，△M

=0，+1的各跃迁都是可能的。

经过多次上下跃迁，基态中M

=+2子能级上的子粒子数只增不减，这样就增

加了粒子布居数的差别。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。类似地，也可以用

右旋圆偏振光照射样品，最后都布局在基态F=2，且M

=-2的子能级上。原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于密集称之为光抽运。光抽运的目的就是要造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振跃迁实验了。

（三）驰豫时间

在热平衡条件下，任意两个能级E

1和E

上的粒子数之比都服从波耳兹曼分布

N 2/N

=e-△E/kT,式中△E= E

-E

是两个能级之差，N

、N

分别是两个能级E

、E

上的

原子数目，k是玻耳兹曼常数。由于能量差极小，近似地可认为个子能级上的粒子数是相等的。光抽运增大了粒子布居数的差别，使系统处于非热平衡分布状态。

系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程称为驰豫过程。促使系统趋向平衡的机制就是原子之间以及原子与其它物质之间的相互作用。在实验过程中要保持原子分布有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回波耳兹曼分布的趋势。但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的偏极化，不利于实验的进行。然而铷原子与磁性很弱

的气体如氮（N

2）或氖（N

）碰撞，对铷原子状态的扰动极小，不影响原子分布

的偏极化。因此在铷样品泡中充入10托的氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度

大6个数量级，这样可减少铷原子与容器以及与其它铷原子的碰撞机会，从而保持铷原子分布的高度偏极化。此外，处于52P

1/2

态的原子需与缓冲气体分子碰撞多次才能发生能量转移，由于所发生的过程主要是无辐射跃迁，所以返回到基态中八个塞曼子能级的几率均等，因此缓冲气体分子还利于粒子更快的被抽运到

=+2子能级的过程。

铷样品泡温度升高，气态铷原子密度增大，则铷原子与器壁及铷原子之间的碰撞都要增加，使原子分布的偏极化减小。而温度过低时铷蒸气的原子数不足，也使信号幅度变小。因此有个最围，一般在40o-60oC之间。

（四）塞曼子能级之间的磁共振

因光抽运而使Rb87原子分布偏极化达到饱和以后，铷蒸气不再吸收D

σ╋光，

从而使透过铷样品泡的D

σ╋光增强。这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场B的方向加一频率为υ的射频磁场，当υ和B之间满足磁共振条件

(7)

时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。跃迁遵守选择定则

△F=0, △M

=±1

铷原子将从 M

F =±2的子能级向下跃迁到各子能级上，即大量原子由M

=+2

的能级跃迁到M

F =+，以后又跃迁到M

=0,-1,-2等各子能级上。这样，磁共振破

坏了原子分布的偏极化，而同时，原子又继续吸收入射的D

σ╋光而进行新的抽

运，透过样品泡的光就变弱了。随着抽运过程的进行，粒子又从M

=-2,-1,0,+1 各

能级被抽运M

=+2 的子能级上。随着粒子数的偏极化，透射再次变强。光抽运与感应磁共振跃迁达到一个动态平衡。光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，因此光抽运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。Rb85也有类似的情况，

只是D

1σ╋光将Rb85抽运到基态M

=+3的子能级上，在磁共振时又跳回到M

=+2，

+1,0,-1,-2,-3等能级上。

射频（场）频率υ和外磁场（产生塞曼分裂的）B两者可以固定一个，改变另一个以满足磁共振条件（7）。改变频率称为扫频法（磁场固定），改变磁场称为扫场法（频率固定）。本实验装置是采用扫场法。

（五）光探测

投射到铷样品泡上的D

σ╋光，一方面起光抽运作用，另一方面，透射光的强弱变化反映样品物质的光抽运过程核磁共振过程的信息，因此又可以兼做探测光，用以观察光抽运和磁共振。这样对铷样品加一射频场（同时存在着使铷原子

产生塞曼分裂的磁场），用D

σ╋光照射铷样品泡，并探测透过样品泡的光强，就实现了光抽运-磁共振-光探测。在探测过程中射频（106Hz）光子的信息转换成了频率高的光频（1014Hz）光子的信息，这就使信号功率提高了8个数量级。

样品中Rb85和Rb87都存在，都能被D

σ╋光抽运而产生磁共振。为了分辨是

Rb85还是 Rb87参与磁共振，可以根据它们的与偏极化有关能态的g

因子不同加以

区分。对于Rb85，由基态中F=3的态的g

F 因子可知υ

=μ

/h=0.467MHz/Gs,

对于Rb87, 由基态中F=2的态的g

F 因子可知υ

=0.700 MHz/Gs。

二、实验仪器

本实验系统有主体单元，电源，辅助源，射频信号发生器及示波器五部分组成。见图。

1 主体单元：

主体单元是该实验装置的核心，如图3所示。由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。

天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约52mm的玻璃泡内，该如泡两侧对称放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁场。这个铷吸收泡和射频线全都置于圆柱形恒温槽内，称它为“吸收池”。槽内温度约在55度左右。吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心。小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它是铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场。铷光谱灯作为抽运光源。光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两头镜的焦距为77mm，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再会聚到光电池上。干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）从铷光谱中选出光（波长为7948埃）。偏振片和1/4波片（和准直透镜装在一起）使光成为左旋圆偏振光。偏振光对基态朝精细塞曼能级有不同的跃迁几率，可以在这些能级间造成较大的粒子数差。当加上某一频率的射频磁场时，将产生“光磁共振”。在共振区的光强由于铷原子的吸收而减弱。通过大调场法，可以从终端的光电探测器上得到这个信号。经放大可从示波器上显示出来。

铷光谱灯是一种高频气体放电灯。他由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。铷灯泡放置在高频震荡回路的电感线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。整个振荡器连同铷灯泡放在同一恒温槽内，温度控制在90摄氏度左右。高频振荡器频率约为65 MHz。

光电探测器接收透射光强度变化，并把光信号转成电信号。接收部分采用硅光电池。放大器倍数大于100。

2 电源：

电源为主体单元提供四组直流电源，第1路是0-1A可调稳流电源，为水平磁场提供电流。第2路是0-0.5A可调稳流电源，为垂直磁场提供电流。第3路是24V/0.5A稳压电源，为铷光谱灯、控温电路、扫场提供工作电压。第4路是

20V/0.5A稳压电源，为灯震荡、光电检测器提供工作电压。

3 辅助源：

辅助源为主体单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。并设有“外接扫描“插座可接SBR-1型示波器的扫描输出，将其锯齿扫描经其电阻分压及电流放大，作为扫场信号源代替机内到场信号，辅助源与主体单元由24线电缆连接。

4 射频信号发射器：

本实验装置中的射频信号发生器为通用仪器，可以选配，频率范围为

100KHz-1MHz,输出功率在50欧负载上不小于0.5W。并且输出幅度要可调节。射频信号发生器是为吸收池中的小射频线圈提供射频电流，使其产生射频磁场，激发铷原子产生共振跃迁。

三、实验步骤

1．仪器的调节

①在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。再用指南针确定地磁场方向，主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。用指南针确定水平场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系，并作详细记录。

②将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下辅助源的池温开关，接通电源开关。开射频信号发生器、示波器电源。电源接通约三十分钟后，铷光谱灯点燃并发出紫红色光，池温灯亮，吸收池正常工作，实验装置进入工作状态。

③主体装置的光学元件应调成等高共轴。

调整准直透镜以得到较好的平行光束，通过铷样品泡并射到聚光透镜上。铷灯因不是点光源，不能得到一个完全平行的光束，但仔细调节，在通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大，便可得到良好的信号。

④调节偏振片及1/4波片，使1/4波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为π/4以获得圆偏振光。

写出调节步骤和观察到的现象。

2．光抽运信号的观察

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，设置扫场方向与地磁场方向相反，然后拿开指南针。预置垂直场电流为0.07A左右。用来抵消地磁场分量。然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。

图1（扫场波形中要加电场为零的纵轴线）

铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。因此这一瞬间有总粒子数7/8的粒子在吸收+δ1D 光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到M F =+2子能级上，能吸收σ+的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到M F =+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零（指水平方向的总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对+δ1D 光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号，如图1 3.磁共振信号的观察

扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.7A 左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针判断)。垂直场的大小和偏振镜的角度保持前面的状态不变。调节射频信号发生器，频率可以观察到共振信号如图2，对应波形，可读出频率1ν及对应的水平场电流I 。再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。同样可以得到2ν。这样水平磁场所对应的频率为2)(21ννν+=,即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。

用三角波扫场法观察磁共振信号时，当磁场0B 值与射频频率0ν满足共振条件式时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的光抽运。因此，对于确定的频率，改变磁场值可以获得Rb 87或Rb 85的磁共振。可得到磁共振信号的图像。对于确定的磁场值（例如三角波中的某一场值），改变频率同样可以获得Rb 87或Rb 85的磁共振。实验中要求在选择适当频率（600KHz ）及场强的条件下，观察铷原子两种同位素的共振信号并详细记录所有参量。

光抽运信号波形扫场波形

4．测量g F 因子

为了研究原子的超精细结构，测准g F 因子时很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心处的磁感强度为式中N 为线圈匝数，r 为线圈有效半径（米），

723

10516-?=

I r

B π I 为直流电流（安）。B 为磁感强度（特斯拉），式hv= g F u B B B g h B F μν=？中，普朗克常数h=6.626×10-34焦耳秒，玻尔磁子u B =9.274×10-24焦耳/特斯拉。利用两式可以测出g F 因子值。要注意，引起塞曼能级分裂的磁场是水平方向的总磁场(地磁场的竖上分量已抵消)，可视为B=B

水平

+ B 地+ B 扫，而B 地、B 扫的直

流部分和可能还有的其它杂散磁场，所有这些都难以测定。这样给直接测量g F 因子带来困难，但只要参考霍尔效应实验中用过的换向方法，就不难解决了。测量g F 因子实验的步骤自己拟定。

有实验测量的结果计算出Rb 87或Rb 85的g F 因子值。计算理论值并与测量值进行比较。

5 .选作（实验步骤自拟）

1.>分析观察到的现象，设法估计光抽运时间常数。

2.>测出北京地磁场的竖直分量、水平分量及北京地磁倾角。

图2

四、实验结果

（1）在装置加电之前，先应进行主体单元光路的机械调整。再借助指南针将光具座与地磁场水平分量平行搁置。检查各连线是否正确。然后将垂直场、水平场、扫场幅度旋钮调至最小，按下池温开关。然后接通电源线，按下电源开关。约30分钟后，灯温和池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。

H 1H 0

I 扫场

共振信号

（2）观测光抽运信号。扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，预置垂直场电流为0.07A 左右，用来抵消地磁场垂直分量，然后旋转偏振片的角度、扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。在示波器上我们观察到光抽运信号图像如下图所示：

图1 光抽运信号图像

（3）测Rb 元素的g 因子。扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.2A 左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同。垂直场的大小和偏振片的角度保持与之前状态相同。固定信号发生器频率于500kHz 到1MHz 之间的某值，改变水平场电流的大小，观察示波器，是否出现共振信号。若是，记录此时的信号频率f 和水平场电流大小I 1。保持频率不变，按动水平场方向开关，使水平场与地磁场水平分量和扫场方向相反。仍用上述方法得到I 2。根据原理公式：

858585(+B +B )(-+B +B )2()

B B B h g U B h g U B h g U B B υυυ=-=-=+水1扫地水2扫地水1水2（1）（2）（1）（2）得，

（3）

实验所得的波形图如图2所示：

图2 共振信号图像1

由于Rb元素有两种同位素85和87，所以在同一次测量中会出现两次共振

信号。另外共振信号图像与光抽运信号图像相似，如图3所示，

图3 共振信号图像2

每次找到一个类似共振信号状态图像时，可以关闭信号发生器，观察该状态图像是否仍然存在，若存在，说明该图像不是共振信号图像，属于过零现象；反之，则说明共振信号图像被找到了。其次，两次测量过程中，找到的共振信号图像性质必须一致，或同时是对三角波信号最低点发生共振，或同时对三角波信号最高点发生共振（在本实验中，我们采用在最低点共振）。

改变射频发生器的频率值，重复上述测量三次，得到三组数据如下表1所示：

数据处理

频率Hz R85水

平场1

R85水

平场2

R87水

平场1

R87水

平场2

g85 g87

794000 0.581 0.14 0.46 0.024 0.336623728 0.501458074 848800 0.609 0.168 0.478 0.039 0.333921083 0.501850447 994600 0.678 0.233 0.523 0.083 0.333725633 0.501689855

表1 光磁共振测g因子

得出的g因子相对于理论值来说稍稍偏大。原因可能是搜索共振信号时不够准确，由于在共振状态附近，微小的电流变化都会引起共振信号剧烈变化，所以想要准确找到共振信号，实验环境一定要稳定，改变电流的幅度一定要平稳、缓慢，找到起伏最显著的共振图像为好。

光磁共振作为获得诺贝尔奖的物理实验，它在很多重要领域都有非常重大的应用，比如激光等。课后可以查看一下这些方面的书籍和刊物，更好地认识光磁共振。

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

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．

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、实验仪器 400MHz超导傅里叶变换核磁共振波谱仪（仪器型号：AVANCE III 400）四、仪器构造、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

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

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 ),( ),( ]),([),( ),(

大学物理光磁共振实验装置介绍

DH807A型光磁共振实验装置技术说明书北京大华无线电仪器厂中国北京

目录 1. 概述 (1) 2. 主要技术指标 (1) 3. 工作原理 (2) 4. 结构特征 (4) 5. 安装和调整 (4) 6. 使用操作说明 (8) 7. 维护和修理 (11) 8. 成套性 (11) 9. 储存 (12) 10. 质量保证 (12) 11. 附录 (12)

1．概述：光磁共振实验装置(国外简称：Optical Pumping)用于近代物理实验。该实验所涉及的物理内容丰富，可使学生直观地了解到光学、电磁学及无线电电子学等方面的知识，并能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。光磁共振实验中使用了光泵及光电探测技术，其灵敏度比一般磁共振探测技术高几个数量级。这一方法在基础物理学的研究、磁场的精确测量以及原子频标技术等方面都有广泛的应用。其外形图如下所示：图 1. 2．主要技术指标： 2.1 实验测得g因子误差：1％ 2.2 磁装置：水平直流磁场：场强 0—2GS，连续可调。稳定度：优于5×103- (电源电压变化土10％时)。水平调制磁场：方波频率约10Hz，场强(峰一峰)0～1.5GS。三角波频率约20Hz，场强(峰一峰)0～1.5GS。垂直直流磁场：场强：0～0.7GS，连续可调。稳定度：优于5×103- (电源电压变化土10％时)。射频磁场(外配射频信号源)：频率范围：100KHz— lMHz 信号源功率输出：50Ω负载上不小于0.5W。 2.3 光电探测器：放大器增益大于100。 2.4 预热时间： 30分钟 .1.

顺磁共振实验报告

近代物理实验报告顺磁共振实验学院班级姓名学号时间 2014年5月10日

顺磁共振实验实验报告【摘要】电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR ”或“ESR ”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。【关键词】顺磁共振，自旋g 因子，检波【引言】顺磁共振（EPR ）又称为电子自旋共振（ESR ），这是因为物质的顺磁性主要来自电子的自旋。电子自旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。顺磁共振技术得到迅速发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域。电子自旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演变，以及材料的性能具有重要的意义。研究了解电子自旋共振现象，测量有机自由基DPPH 的g 因子值，了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用，从矩形谐振长度的变化，进一步理解谐振腔的驻波。【正文】一、实验原理（1）电子的自旋轨道磁矩与自旋磁矩原子中的电子由于轨道运动，具有轨道磁矩，其数值为： 2l l e e P m μ=- ，负号表示方向同l P 相反。在量子力学中(1)l P l l =+，因而 (1)(1)2l B e e l l l l m μμ=+=+，其中2B e e m μ=称为玻尔磁子。电子除了轨道运动外

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

光磁共振实验概要

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

核磁共振实验报告

1、前言和实验目的核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象。本实验的样品在外磁场中，外磁场使样品核能级因核自旋不同的取向而分裂，在数千高斯外磁场下核能级的裂距一般在射频波段，样品在射频电磁波作用下，粒子吸收电磁波的能量，从而产生核能级的跃迁。1932年发现中子后，才认识到核自旋是质子自旋和中子自旋之和，质子和中子都是自旋角动量为2 的费米子，只有质子数和中子数两者或其一为奇数时，核才有非零的核磁矩，正是这种磁性核才能产生核磁共振。核磁共振信号可提供物质结构的丰富信息，如谱线的宽度、形状、面积、谱线在频率或磁场刻度上的准确位置、谱线的精细结构、超精细结构、弛豫时间等，加之是对样品的无损测量，广泛的应用于分子结构的确定、液相和固相的动力学研究、医用诊断、固体物理学、分析化学、分子生物学等领域，是确定物质结构、组成和性质的重要实验方法。核磁共振还是磁场测量和校准磁强计的标准方法之一，其不确定度可达001.0±%。实验目的：（1）掌握核磁共振的实验原理和方法（2）用核磁共振方法校准外磁场B ，测量氟核的F g 因子以及横向驰豫时间2T 2、实验原理如原子处在磁场中会发生能级分裂一样，许多原子核处在磁场中也会发生能级的分裂，因为原子核也存在自旋现象。质子和中子都是自旋角动量等于2 的费米子，当质子数和中子数都为偶数时原子核的磁矩为0，当其一为奇数时原子核磁矩为半整数，当两个都为奇数时核磁矩为整数。只有具有核磁矩的原子核才有核磁共振现象。我们知道在微观世界里物理量都只能取分立的值，即都是量子化的。原子核的角动量也只能取分立的值 )1(+= I I p ,I 为自旋量子数，取分立的值。对于本实验用到的H 1和F 19，自旋量子数I 都为1/2。沿z 方向的角动量为 m p z =，在这里m 只能取1/2或-1/2。而自旋角动量不为0的核具有核磁矩p m e g p 2F =，考虑沿z 轴方向则有N z p Z mgF p m e G F ==2，其中以 γ== p z m e F 2为原子核磁矩的基本单位，p m e 2=γ。在没有磁场作用时，原子核的能量时一样的，但处于磁场中则会发生能级分裂， B m γ-B -F B F E Z =?=?-=，本实验中1=?m ，故有B E γ=?。外加一射频场，当满足一定的条件时就会发生共振吸收，条件为πγγυ2hB B E h = =?= ，从而有共振频率B π γ υ2= 。通过

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。

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

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）。

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

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