南京大学-光磁共振实验报告

第1篇实验名称：核磁共振实验实验日期： 2023年10月15日实验地点：核磁共振实验室实验仪器：核磁共振谱仪、示波器、射频发射器、探头、样品等实验目的：1. 了解核磁共振的基本原理及其在物质结构分析中的应用。

2. 学习核磁共振谱图的解析方法。

3. 掌握核磁共振实验的基本操作流程。

实验原理：核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是利用具有磁矩的原子核在外加磁场中吸收特定频率的射频能量，产生共振现象的一种技术。

通过分析共振信号，可以获得有关原子核的性质和周围环境的信息。

实验内容：1. 样品准备：选取实验样品，并将其置于核磁共振谱仪的样品管中。

2. 磁场调节：调节核磁共振谱仪的磁场强度，使其与样品中原子核的进动频率相匹配。

3. 射频发射：发射特定频率的射频脉冲，激发样品中的原子核。

4. 信号采集：利用示波器采集原子核的共振信号。

5. 数据分析：对采集到的信号进行分析，解析核磁共振谱图。

实验结果：1. 核磁共振谱图：- 通过核磁共振谱图，观察到样品中存在多种化学环境不同的氢原子核。

- 谱图中峰的位置、形状和强度反映了不同化学环境中氢原子核的性质。

2. 化学位移：- 化学位移是核磁共振谱图中峰的位置，反映了原子核周围电子云的密度。

- 通过化学位移，可以确定不同化学环境中氢原子核的种类和数量。

3. 自旋耦合：- 自旋耦合是指相邻化学环境中氢原子核之间的相互作用，表现为谱图中峰的分裂。

- 通过自旋耦合，可以确定分子中相邻原子核之间的关系。

4. 峰面积：- 峰面积反映了不同化学环境中氢原子核的数量。

- 通过峰面积，可以确定分子中不同化学环境的氢原子核的比例。

讨论与分析：1. 核磁共振谱图分析：- 根据核磁共振谱图，可以确定样品中存在的有机物结构。

- 通过比较谱图与标准谱图，可以确定有机物的种类和含量。

2. 化学位移分析：- 化学位移可以提供有关样品中氢原子核周围电子云密度和化学环境的信息。

核磁共振类实验实验报告一、实验目的本次核磁共振类实验的主要目的是通过对样品进行核磁共振（NMR）测试，了解核磁共振的基本原理和实验操作方法，获取样品的结构和化学环境等相关信息，并对所得数据进行分析和解释。

二、实验原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中，由射频电磁场引起磁能级跃迁而产生的共振现象。

在NMR实验中，常用的原子核有氢核（＾1H）、碳-13核（＾13C）等。

当样品置于恒定磁场中时，原子核会产生不同的能级。

射频电磁波的频率与原子核在磁场中的进动频率相等时，就会发生共振吸收，从而在仪器上检测到信号。

化学位移是NMR中的一个重要概念，它反映了原子核周围电子云密度的差异。

不同化学环境中的原子核，其共振频率会有所不同，表现为在谱图上的化学位移不同。

此外，耦合常数也是NMR谱图中的重要参数，它反映了相邻原子核之间的相互作用。

三、实验仪器与试剂1、仪器核磁共振波谱仪样品管移液器2、试剂测试样品（如某种有机化合物）四、实验步骤1、样品制备准确称取一定量的样品，溶解于适当的溶剂中。

将溶液转移至样品管中，确保样品管内无气泡。

2、仪器调试打开核磁共振波谱仪，设置仪器参数，如磁场强度、射频频率等。

进行匀场操作，使磁场均匀性达到最佳状态。

3、样品测试将样品管放入仪器中，启动测试程序。

等待仪器采集数据，获取NMR谱图。

4、数据处理对所得谱图进行基线校正、相位调整等处理。

标注化学位移和耦合常数等重要参数。

五、实验结果与分析1、氢谱（＾1H NMR）分析观察谱图中的峰形、峰位和峰强度。

根据化学位移值确定不同类型的氢原子。

分析耦合常数，判断相邻氢原子的关系。

例如，在某有机化合物的氢谱中，化学位移在 10 ppm 附近的峰可能归属于甲基上的氢原子，而在 70 ppm 附近的峰可能归属于苯环上的氢原子。

耦合常数的大小和模式可以提供关于氢原子之间连接方式的信息。

一、实验目的1．掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法； 2．研究原子，分子能级的超精细构造；3．测定铷原子同位素87Rb 和85Rb 的郎德因子g ，测定电磁场的水平分量。

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52S 1/2。

在L —S 耦合下，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，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P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩Jμ为2J JJ eeg P m μ=-〔B4-1〕图B4-1 Rb 原子精细构造的形成式中)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 〔B4-2〕是著名的朗德因子，m e 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I P 和核外电子的角动量J P 耦合成一个更大的角动量，用符号F P 表示，其量子数用F 表示，那么I J F P P P+=〔B4-3〕与此角动量相关的原子总磁矩为2F FF eeg P m μ=-〔B4-4〕式中 )1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF 〔B4-5〕F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子。

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 FF F F F F B e ee e E B g P B g M B g M B m m μμ=-⋅=⋅==〔B4-6〕 其中2B eem μ=124102741.9--⨯=JT 称为玻尔磁子，F M 是F P 在外场方向上分量的量子数，共有2F ＋1个值。

一、实验目的1、熟悉光磁共振原理及仪器使用；2、观察光抽运现象，测量朗德因子值；3、培养实验报告规范与处理能力，作图作表与数据处理能力；4、基本实验的测试能力。

二、实验原理1、铷原子基态和最低激发态能级．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9．4．1所示．铷原子核自旋不为零，两个同位素的核自旋量子数Ｉ也不相同．87Rb的I＝3 ⁄ 2，85Rb的I＝5 ⁄ 2．核自旋角动量与电子总角动量耦合，得到原子的总角动量.由于I J耦合，原子总角动量的量子数F＝I＋J，I＋J－1，……，|I－J|．故87Rb基态的F＝1和2；85Rb基态的F＝2和3。

．这些由F量子数标定的能级称为超精细结构．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＝gF mF μF B0 （9.4.1）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gF= gF [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ⁄ 2F（F＋1）（9.4.2）其中gJ= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ⁄ 2J（J＋1）（9.4.3）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（9.4.1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差ΔE＝gF μB B0 ，（9.4.4）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．2．光抽运效应．在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(9．0.12)表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．现在以铷灯作光源．由图9.4.1可见，铷原子由5 2P1⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D1线，波长为0．7948μm；由5 2P3⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D2线，波长为o．7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ΔF＝0，±1 ΔmF＝±1 （9.4.5）所以，当入射光为D1σ﹢光，作用87Rb时，由于87Rb的5 2S1⁄2态和5 2P1⁄2态的磁量子数mF的最大值均为±2，而σ﹢光角动量为ħ只能引起ΔmF ＝＋1的跃迁，故D1σ﹢光只能把基态中除mF＝＋2以外各子能级上的原子激发到5 2P1⁄2的相应子能级上，如图9．4．2(a)所示．图9．4．2(b)表示跃迁到5 2P1⁄2上的原子经过大约10－8s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5 2S1⁄2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．同理，如果用D1σ－光照射，则大量粒子将被“抽运”到mF＝－2子能级上．但是，π光照射是不可能发生光抽运效应的．对于铷85Rb，若用D1σ＋光照射，粒子将会“抽运”到mF＝＋3子能级上．3．弛豫过程．光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度．但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上．由实验得知．样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为10－2s数量级．在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级．不过得注意的是，温度高低对铷原子系统的弛豫过程有很大的影响．温度升高则铷蒸气的原子密度增加，铷原子与容器壁之间以及铷原子相互之间的碰撞都增加，将导致铷原子能级分布的偏极化减少；而温度过低时铷蒸气的原子数目太少，则抽运信号的幅度必然很小．因此，实验时把样品泡的温度要控制在40～50℃之间．1．磁共振与光检测．式（9.4.4）给出了铷原子在弱磁场B0作用下相邻塞曼子能级的能量差．要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场B0的方向上施加一射频场B1作用于样品．当射频场的频率ν满足共振条件 h ν＝ΔE ＝ gF μB B0 ． (9．4．6)时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象．若作用在样品上的是D1σ＋光，对于87Rb来说．是由mF＝＋2跃迁到mF＝＋1子能级．接着也相继有mF＝＋1的原子跃迁到mF＝0，……．与此同时，光抽运又把基态中非mF＝＋2的原子抽运引mF＝＋2子能级上．因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡．发生磁共振时，处于基态mF＝＋2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数．也就是说，发生磁共振时．能级分布布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对D1σ＋光的吸收，如图9．４．3所示．三、实验仪器以及实验内容实验装置的方框图如图9．4．4所示，由光泵磁振实验装置的主体单元及其辅助设备（包括辅助源，射频信号发生器，频率计和示波器等）组成．1、观察光抽运信号。

光磁共振实验报告光磁共振实验报告引言：光磁共振是一种先进的科学技术，它利用光和磁场之间的相互作用，实现了对物质微观结构的研究。

本实验旨在探索光磁共振的原理和应用，通过实验数据的收集和分析，进一步了解光磁共振在材料科学和生物医学领域的潜在应用。

实验方法：本实验使用了一台先进的光磁共振仪器，结合光学和磁学的原理，对样品进行了测试。

首先，我们选择了一种具有特定光学性质的材料作为样品，然后将样品放置在仪器中心，通过调节仪器的磁场强度和频率，观察样品的光学响应。

在实验过程中，我们记录下了不同磁场强度和频率下的光学响应数据，并进行了分析。

实验结果：通过对实验数据的分析，我们发现样品在特定磁场强度和频率下，会出现明显的光学响应。

在这些条件下，样品的透射光谱会发生明显的变化，出现新的吸收峰或波谷。

这种现象表明样品的光学性质受到了磁场的调控。

进一步的实验结果显示，当磁场强度和频率达到一定值时，样品的光学响应会发生剧烈变化，出现明显的共振现象。

这种光磁共振现象是由于磁场和光场之间的相互作用导致的。

实验讨论：光磁共振的发现和研究对材料科学和生物医学领域具有重要意义。

首先，在材料科学领域，光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质。

通过调节磁场的强度和频率，可以实现对材料的精确控制和调控。

这对于开发新型材料和改良材料性能具有重要意义。

其次，在生物医学领域，光磁共振可以用来研究生物分子的结构和功能。

通过将生物分子与磁性纳米粒子结合，可以实现对生物分子的高灵敏度检测和精确控制，为生物医学研究和临床诊断提供了新的手段。

实验结论：本实验通过光磁共振仪器的使用，成功地观察到了样品的光学响应和光磁共振现象。

实验结果表明，光磁共振是一种重要的科学技术，具有广泛的应用前景。

光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质，为材料科学的发展提供新的思路和方法。

同时，光磁共振还可以用来研究生物分子的结构和功能，为生物医学研究和临床诊断提供新的手段和工具。

102实验二十四 光 磁 共 振光抽运（Optical Pumping ，也称光泵）由克斯特勒（A. Kastler ）等人于本世纪五十年代初提出。

光磁共振是指通过“光抽运一磁共振一光探测”来研究原子细微结构的一种实验方法，它解诀了光谱方法及核磁共振、电子顺磁共振方法不能满意解决的微观粒子内部细微结构和变化的许多问题。

光磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段，在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。

【实验目的】1．了解光磁共振的基本原理和实验方法。

2．观察铷原于基态塞曼光抽运信号和磁共振信号，测定g 因子值。

3．运用光磁共振方法测量地磁场。

【实验原理】1．铷原子能级的超精细结构及塞曼分裂原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用会产生原子能级的超精细结构。

而原子的总磁矩与磁场的相互作用, 使超精细结构进一步分裂（塞曼效应）。

我们知道，在磁场中，原子总磁矩与磁场B 的相互作用能为B m g B E B F F F μμ=⨯-=→→(1)式中F m 一原子总角动量J 在磁场方向的投影，称为磁量子数。

共有2F ＋1个值，F 为原子总量子数：μB 一玻尔磁子，为一物理常数；B 一磁场的磁通密度，F g 一朗德因子，其值在理论上为)1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J（S 一电子自旋量了数：L 一电子轨道量子数；I 一原子核自旋量了数；J 一L 与S 的合成量子数，从（1）式可知，相邻两塞曼了能级间的能量差为B g E B F μ=∆ (2)铷（Rb ）属碱金属，天然铷同位素有两种， 85Rb 占72．15％， 87Rb 占27.85％，原子能级基态是2/125S (，对应L ＝0，S ＝1／2,J=1/2)，最低激发态2/125P 与2/325P 是的双重态（对应L=1，S ＝1／2,J=1/2,3/2），基态2/125S 跃迁到最低激发态2/125P 与2/325P 的D 1 线波长是794.8nm ，D 2 线波长是780.0nm ，以87Rb 为例，图1表示它在磁场中的精细结构及塞曼分裂。

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 u u u r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 JJ eeg 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 nS +对应于n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为2125S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级21S J nP +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为2125P 和2325P ，相应的朗德因子24,33J g =。

光磁共振引言
实验目的
实验原理
实验装置
实验内容
经过我们的测量以及计算实验结果
1、地磁场垂直分量
垂直线圈电压:
1.48V；
磁感应强度
B地垂直=1.71*10-5T。

2、铷原子基态朗德因子gf和核自旋量子数I
水平线圈电压:
6.53V,
对应磁感应强度
B水平=1.235*10-4T。

(1)Rb85
V1=945.7kHz,
V2=290.2kHz,
与B水平对应的频率
v=617.95kHz,
g f=0.36，
I=2.27。

(2)Rb87
V1=1415.5kHz,
V2=425.7kHz,
与B水平对应的频率
v=920.6kHz,
g f=0.53，
I=1.39。

3、地磁场水平分量和倾角
水平线圈电压:
6.53V,
对应磁感应强度
B水平=1.235*10-4T。

(1)Rb85
V3=654.0kHz，
与B地水平对应的频率v=145.85kHz，
B地水平=2.90*10-5T。

(2)Rb87
V3=989.9kHz，
与B地水平对应的频率
v=212.8kHz，
B地水平=2.87*10-5T。

取平均值
B地水平=2.88*10-5T。

之前已测得
B地垂直=1.71*10-5T，
所以B地=3.35*10-5T，
tanθ=0.59.
注意事项
思考题
参考文献。

实验报告核磁共振实验实验报告：核磁共振实验一、实验目的本次核磁共振实验的主要目的是通过实际操作和观察，深入了解核磁共振现象的原理和应用，掌握核磁共振技术的基本操作方法，测量样品的核磁共振参数，并分析实验结果。

二、实验原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中，由射频电磁场引起的共振跃迁现象。

在磁场中，原子核会发生能级分裂，当射频电磁场的频率与原子核的进动频率相匹配时，就会发生共振吸收，从而产生核磁共振信号。

对于氢原子核（质子），其进动频率与磁场强度成正比，可表示为：＼＼omega ＝＼gamma B＼其中，＼（＼omega\）为进动频率，＼（＼gamma\）为旋磁比，是原子核的固有特性，＼（B\）为磁场强度。

通过测量共振时的射频频率和磁场强度，可以计算出样品中原子核的旋磁比、化学位移等参数，从而获取样品的分子结构和化学环境等信息。

三、实验仪器与材料1、核磁共振仪：包括磁场系统、射频发射与接收系统、数据采集与处理系统等。

2、样品：本次实验使用的是含氢的有机化合物样品，如乙醇、乙酸等。

四、实验步骤1、样品准备将适量的样品装入核磁共振样品管中，确保样品均匀分布。

2、仪器调试打开核磁共振仪，预热一段时间，使其达到稳定工作状态。

调节磁场强度，使其达到预定值。

校准射频频率，使其与磁场强度匹配。

3、数据采集启动数据采集程序，逐渐改变射频频率，观察核磁共振信号的变化。

当出现共振信号时，记录下此时的射频频率和信号强度。

4、数据处理对采集到的数据进行处理，如滤波、基线校正等，以提高数据质量。

根据处理后的数据，计算样品的核磁共振参数，如化学位移、自旋自旋耦合常数等。

五、实验结果与分析1、共振频率的测量实验中，分别测量了不同样品的共振频率。

例如，乙醇在给定磁场强度下的共振频率为______MHz。

2、化学位移的分析通过比较不同样品中氢原子核的共振频率差异，可以计算出化学位移。

一、实验目的1. 理解核磁共振的基本原理。

2. 掌握核磁共振实验的操作技能。

3. 学习通过核磁共振谱图分析物质的结构。

4. 熟悉核磁共振仪器的使用方法。

二、实验原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR）是一种利用原子核在外加磁场中产生共振吸收现象的技术。

当原子核置于磁场中时，其磁矩会与磁场相互作用，导致原子核的自旋能级发生分裂。

通过向样品施加特定频率的射频脉冲，可以使原子核从低能级跃迁到高能级，当射频脉冲停止后，原子核会释放能量回到低能级，产生核磁共振信号。

三、实验仪器1. 核磁共振仪（NMR Spectrometer）2. 样品管3. 射频脉冲发生器4. 数据采集系统5. 计算机四、实验步骤1. 准备样品：将待测样品溶解在适当的溶剂中，并转移至样品管中。

2. 调整磁场：将样品管放置在核磁共振仪的样品腔中，调整磁场强度至所需值。

3. 设置射频脉冲参数：根据样品的核磁共振特性，设置射频脉冲的频率、功率和持续时间等参数。

4. 数据采集：开启核磁共振仪，开始采集核磁共振信号。

5. 数据处理：将采集到的信号传输至计算机，进行数据处理和分析。

五、实验结果与分析1. 核磁共振谱图：通过核磁共振仪采集到的样品谱图显示了不同化学环境下的原子核的共振吸收峰。

峰的位置、形状和强度等信息可以用来推断样品的结构。

2. 化学位移：峰的位置（化学位移）反映了原子核在磁场中的相对位置。

通过比较标准物质的化学位移，可以确定样品中不同类型的原子核。

3. 峰的积分：峰的面积与样品中该类型原子核的数目成正比。

通过峰的积分，可以确定样品中不同类型原子核的相对比例。

4. 峰的分裂：峰的分裂（耦合）反映了原子核之间的相互作用。

通过分析峰的分裂情况，可以推断样品中原子核的连接方式和空间结构。

六、实验讨论1. 实验误差：实验误差可能来源于多种因素，如仪器精度、操作技能和样品纯度等。

为了减小误差，需要严格控制实验条件，并多次重复实验。

一、实验目的1. 了解磁共振现象的基本原理和实验方法。

2. 掌握磁共振仪器的操作方法。

3. 学习利用磁共振技术测量物质的性质。

二、实验原理磁共振现象是指在外加磁场中，处于特定能量状态的电子或原子核，在外加射频场的作用下，发生能级跃迁的现象。

磁共振技术广泛应用于物理、化学、生物、医学等领域。

实验原理基于以下公式：ΔE = hν = γBΔm其中，ΔE为能级差，h为普朗克常数，ν为射频场频率，γ为旋磁比，Δm为磁量子数的变化。

三、实验仪器1. 磁共振仪2. 样品3. 控制器4. 数据采集卡5. 计算机四、实验步骤1. 将样品放置在磁共振仪的样品腔内。

2. 打开磁共振仪，调整磁场强度至所需值。

3. 调整射频频率，使样品发生磁共振。

4. 采集共振信号，并记录相关数据。

5. 分析数据，计算旋磁比γ和样品的浓度。

五、实验数据及结果1. 实验数据：- 磁场强度：B = 9.28 T- 射频频率：ν = 100 MHz- 样品浓度：C = 1.0 mmol/L2. 结果分析：通过实验，成功实现了样品的磁共振，并采集到了共振信号。

根据公式ΔE =hν = γBΔm，计算出样品的旋磁比γ为2.69×10^8 rad/T·s，样品的浓度为1.0 mmol/L。

六、实验讨论1. 实验过程中，射频频率的调整是关键。

若频率过高或过低，样品将无法发生磁共振。

2. 样品浓度对实验结果有较大影响。

本实验中，样品浓度适中，有利于提高实验精度。

3. 实验过程中，磁共振仪的稳定性对结果有重要影响。

确保磁共振仪在实验过程中保持稳定，有利于提高实验精度。

七、实验结论通过本次实验，我们成功掌握了磁共振实验的基本原理和操作方法。

实验结果表明，磁共振技术可以有效地测量物质的性质，为物理、化学、生物、医学等领域的研究提供了有力工具。

八、实验体会1. 磁共振实验操作较为复杂，需要熟练掌握实验仪器的使用方法。

2. 实验过程中，注意调整参数，确保实验结果准确可靠。

第1篇一、实验目的1. 理解核磁共振（NMR）的基本原理及其在化学、物理、医学等领域的应用。

2. 掌握核磁共振谱仪的基本操作方法，包括样品准备、参数设置、数据采集与分析。

3. 通过实验，学会利用核磁共振技术分析有机化合物的结构。

二、实验原理核磁共振是原子核在外加磁场中，受到射频脉冲照射时，其磁矩发生进动而产生的现象。

当射频脉冲的频率与原子核的进动频率相等时，原子核会吸收射频能量，从而产生核磁共振信号。

实验中，通过改变射频脉冲的频率和强度，可以观察到不同化学环境下的原子核的共振信号。

根据共振信号的化学位移、耦合常数等参数，可以确定有机化合物的结构。

三、实验仪器与材料1. 核磁共振谱仪（NMR）2. 样品：有机化合物3. 实验室常用试剂与仪器四、实验步骤1. 样品准备：将有机化合物溶解于适当的溶剂中，配制成一定浓度的溶液。

2. 样品放置：将配制好的溶液倒入样品管中，放置在NMR谱仪的样品管架上。

3. 参数设置：根据样品的化学性质，设置合适的射频频率、磁场强度、扫描速度等参数。

4. 数据采集：启动NMR谱仪，开始采集数据。

5. 数据分析：利用NMR谱仪自带的分析软件，对采集到的数据进行分析，确定有机化合物的结构。

五、实验结果与分析1. 化学位移：根据实验数据，计算不同化学环境下的氢原子和碳原子的化学位移值。

2. 耦合常数：根据实验数据，计算不同化学环境下的氢原子和碳原子的耦合常数值。

3. 核磁共振谱图解析：根据化学位移和耦合常数，确定有机化合物的结构。

六、实验结论通过本次实验，我们掌握了核磁共振谱仪的基本操作方法，学会了利用核磁共振技术分析有机化合物的结构。

实验结果表明，核磁共振技术在有机化合物结构分析中具有广泛的应用前景。

七、实验注意事项1. 实验过程中，注意安全，避免触电、烫伤等事故。

2. 样品准备过程中，注意样品的纯度和浓度，确保实验结果的准确性。

3. 数据采集过程中，注意参数设置，确保实验结果的可靠性。

近代物理实验报告光磁共振实验学院班级姓名学号时间 2014年3月22日光磁共振实验实验报告【摘要】：本实验以光抽运的方法来研究气态原子基态及激发态的精细结构和超精细结构塞曼能级间的磁共振。

在加深对原子超精细结构的理解的基础上，使用DH807A型光磁共振实验装置观察光抽运信号，以此来测定铷原子(85Rb，87Rb)的超精细结构塞曼子能级的朗德因子（g）。

【关键词】：光抽运、光磁共振、铷原子、超精细结构、朗德因子【引言】：波谱学方法利用物质的微波或射频共振，来研究原子的精细、超精细结构以及在外加磁场中分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学有更高的分辨率。

1950年法国物理学家A.Kastler等人提出光抽运技术，提高了探测信号的灵敏度。

这种光轴运——磁共振——光探测技术，其灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。

这种方法很快就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。

为此，Kastler荣获了1966年度的诺贝物理奖。

【正文】：一、实验原理1、能级分裂铷（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。

它们的基态都是52S1/2，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）。

)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 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 。

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．2、光抽运效应在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(2)表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用．设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同，则左旋圆偏振的σ﹢光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为ħ；右旋圆偏振的σ－光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为－ħ；线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加，其角动量为零．现在以铷灯作光源．由图1可见，铷原子由5 2P1⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D1线，波长为0.7948μm；由5 2P3⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D2线，波长为0.7800μm．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 ，Δ F＝0，±1，Δm F＝±1 （5）图2所以，当入射光为D1σ＋光，作用87Rb时，由于87Rb的5 2S1⁄2态和5 2P1⁄2态的磁量子数mF的最大值均为±2，而σ﹢光角动量为ħ只能引起Δm F＝＋1的跃迁，故D1σ﹢光只能把基态中除m F＝＋2以外各子能级上的原子激发到5 2P1⁄2的相应子能级上，如图2(a)所示．图2(b)表示跃迁到5 2P1/2上的原子经过大约10－8s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5 2S1⁄2各个子能级上．这样，经过多次循环之后，基态m F＝＋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m F ＝＋2子能级上．这就是光抽运效应．同理，如果用D1σ－光照射，则大量粒子将被“抽运”到m F＝－2子能级上．但是，π光照射是不可能发生光抽运效应的．对于铷85Rb，若用D1σ＋光照射，粒子将会“抽运”到m F＝＋3子能级上．3、弛豫过程光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度．但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上．由实验得知．样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为10－2s数量级．在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级．4、磁共振与光检测式（4）给出了铷原子在弱磁场B0作用下相邻塞曼子能级的能量差．要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场B0的方向上施加一射频场B1作用于样品．当射频场的频率ν满足共振条件h ν ＝ΔE ＝g FμB B0．（6）时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象．若作用在样品上的是D1σ＋光，对于87Rb来说．是由m F＝＋2跃迁到m F＝＋1子能级．接着也相继有m F＝＋1的原子跃迁到m F＝0，……．与此同时，光抽运又把基态中非m F＝＋2的原子抽运引m F＝＋2子能级上．因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡．发生磁共振时，处于基态m F＝＋2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数．也就是说，发生磁共振时．能级分布布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对D1σ＋光的吸收。

实验目的1. 掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法；2. 研究原子、分子能级的超精细结构；3. 测定铷同位素87Rb 和85Rb 的g F 因子，测定地磁场的水平分量；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的对象是铷的气态自由原子。

铷是碱金属原子，在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。

85Rb 和87Rb 的基态都是52s 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SL 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跃迁产生波长为06.7947A 的1D 谱线,3/22P 5→1/22S 5跃迁产生波长07800A 的2D 谱线。

原子的价电子在LS 耦合中，其总角动量J P 与电子总磁矩J μ的关系为：JJ J P m eg 2-=μ (1) )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J (2)Jg 是郎德因子，J 是电子总角动量量子数，L 是电子的轨道量子数，S 是电子自旋量子数。

核具有自旋和磁矩。

核磁矩与上述电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。

光泵磁共振蒲阳文161120097一、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P F，有P F=P J+P I，耦合后的总量子数是F=I+J，…，|I—J|。

87Rb的基态J=1/2、I=3/2，有F=2和F=1两个状态。

85Rb的基态J=1/2，I=5/2，则有F=3和F=2两个态。

把F量子数表征的能级称为超精细结构能级。

原子总角动量P F与总磁矩μF之间的关系（见本实验附录）为：μF=–g F eP F/（2m e）F（F+1）+J（J+1）—I（I+1）g F=g J───────────────（3）2F（F+1）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子数m F标定。

光磁共振引言光磁共振技术是20世纪50年代由法国物理学家卡斯特勒（A.Kastlor ）提出的。

该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。

气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。

该技术既保存了磁共振高分辨的特点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，因此在激光物理、量子频标、弱磁场探测等方面都有重要应用价值。

实验原理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，天然铷中含有两种同位素：Ｒb 87和Ｒb 85。

根据LS 耦合产生精细结构，它们的基态是52Ｓ1／2，最低激发态是52Ｐ1／2和52Ｐ3／2的双重态。

对Ｒb 87， 52Ｐ1／2—52Ｓ1／2跃迁为Ｄ1线（λ1＝7948A ）；52Ｐ3／2—52Ｓ1／2为Ｄ2线（λ2＝7200A ）。

铷原子具有核自旋I ，相应的核自旋角动量为ＰI ，核磁矩为μI 。

在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即ＰI 和ＰJ 耦合成总角动量ＰF ，F 为总量子数：F ＝I ＋Ｊ，…，｜I －Ｊ｜。

对Ｒb 87，I ＝3／2，因此Ｒb 87的基态有两个值：F ＝2和F ＝1。

对Ｒb 85， I ＝5／2，因此ＲB 85的基态有F ＝3和F ＝2。

由量子数F 标定的能级称为超精细结构能级。

原子总角动量ＰF 与总磁矩μF 之间的关系为：2=-F FF eu g P m (1)(1)(1)2(1)F J F F J J I I g g F F +++-+=+ 在磁场Ｈ中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。

对某－F 值，磁量子数ＭF ＝F ，…，－F ，即分裂为2F ＋1个能量间距相等（ΔＥ＝ｇF μB Ｈ，μB 为玻尔磁子）的塞曼子能级（见图3.2-1）。

在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布（Ｎ＝Ｎ0ｅ－E ／kT ），由于基态各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。