把样品为水的探头换为样品为聚四氟乙烯的探头，并把电路盒放在相同的位置，示波器的纵向放大旋钮调节到50mV/格或20mV/格，用与校准磁场过程相同的方法和步骤测量聚四氟乙烯中F19与B0对应的共振频率vN。以及在峰顶及谷底附近的共振频率v'F及v''F，利用vF和公式（9）求出F19的g因子，根据公式（9），g因子的相对误差为
式中B0和ΔB0为校准磁场得到的结果。求出Δg/g之后可利用已算出的g因子求出绝对误差Δg，Δg也只保留一位有效数字并由它确定g的有效数字，最后给出g因子测量结果的完整表达式。观测聚四氟乙烯中氟的共振信号时，比较它与掺有三氟化铁的水样品中质子的共振信号波形的差别。 （二）顺磁共振实验步骤设计
1. 连接系统,将可变衰减器顺时针旋至最大, 开启系统中各仪器的电源,预热20分钟。 2. 将磁共振实验仪器的旋钮和按钮作如下设置: “磁场”逆时针调到最低,“扫场” 逆时针调到最低，按下“调平衡/Y轴”按钮（注：必须按下），“扫场/检波”按钮弹起，处于检波状态。（注：切勿同时按下）。
3. 将样品位置刻度尺置于90mm处,样品置于磁场正中央。 4. 将单螺调配器的探针逆时针旋至“0\刻度。
5. 信号源工作于等幅工作状态,调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后调节“检波灵敏度”旋钮, 使磁共振实验仪的调谐电表指示占满度的2/3以上。
6. 用波长表测定微波信号的频率,方法是：旋转波长表的测微头，找到电表跌破点，查波长表——刻度表即可确定振荡频率，使振荡频率在9370MHz左右，如相差较大,应调节信号源的振荡频率,使其接近9370MHz的振荡频率。测定完频率后,将波长表旋开谐振点。 7. 为使样品谐振腔对微波信号谐振，调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示最小，此时，样品谐振腔中的驻波分布如图所示。 8. 为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐电表显示尽可能提高。然后，调节魔T另一支臂单螺调配器探
样品谐振腔中的驻波分布示意图
针，使调谐电表指示更小。若磁共振仪电表
指示太小，可调节灵敏度，使指示增大。
9. 按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示，调节“扫场”旋钮使电表指示在满度的一半左右。 10. 由小到大调节恒磁场电流，当电流达到1.7到2.1A之间时,示波器上即可出现如图所示的电子共振信号. 11. 若共振波形值较小,或示波器图形显示欠佳，可采用以下方法：①将可变衰器反时针旋转,减小衰减量，增大微波功率。②正时针调节“扫场”旋钮,加大扫场电流。③提高示波器的灵敏度。④调节微波信号源震荡腔法兰盘上的调节
6
?B?v?g?(F)2?(0)2gvFB0
钉，可加大微波输出功率。
12. 若共振波形左右不对称,调节单螺调配器的深度及左右位置,或改变样品在磁场中的位置，通过微调样品谐振腔可是共振波形成为图中(a)所示的波形。
13. 若出现图中（b）的双峰波形,调节“调相\旋钮即可使双峰波形重合。 14. 用高斯计测得外磁场B0，用公式(2)计算g因子（g因子一般在1.95到2.05之间）.
三、光磁共振
(一)光磁共振的发展
1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒（Alfred Kastler，1902—1984），以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。 二十世纪上半叶，光谱学的研究提供了大量有关原子分子结构的实验数据。由于雷达技术的发展，在四十年代末兴起了射频和微波波谱学。这些频段的电磁波，其频率要比可见光小上千倍，所产生的光子能量比光频光子的能量小得多，因此可以直接测量到原子的精细能级和超精细塞曼子能级之间的共振跃迁。人们把这个频段的电磁波称为赫兹波，把微波或射频共振称为赫兹共振。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”。
卡斯特勒1902年5月3日出生于法国阿尔萨斯省的盖布维莱尔，1920年进法国高等师范学校学习。布洛赫教授教他量子物理学，对他的发展有深刻的影响。布洛赫还让他阅读索末菲的名著《原子结构和光谱线》。在读这本书的过程中，卡斯特勒对电磁辐射和原子相互作用中的角动量守恒特别感兴趣。他注意到用角动量守恒可以说明塞曼效应中磁量子数的选择定则和偏振规律，并深刻领会到角动量守恒定律可能是自然界的一条普遍法则，但是，这个结论必须是在广泛验证之后，而不能想当然。从此卡斯特勒铭记在光谱学研究中要注意应用角动量守恒定律。
1926年卡斯特勒从高等师范学校毕业，随后到外地当了五年中学教师。1931年波尔多大学的道利教授请他当实验室助手，于是他就成了一名实验研究人员。在实验中他主要从事荧光和拉曼光谱研究，在研究中系统地检验了光散射和荧光过程中角动量守恒定律的普适性。1936年他以《汞原子逐步受激》为题，通过了博士论文的答辩。1941年回到高等师范学校，负责实验室工作。
1947年兰姆和雷瑟福用波谱学方法测定氢原子精细结构的兰姆位移，1949年美国的比特（F.Bitter）指出，可把射频波谱技术扩展到原子激发态的研究中。在这以前，磁共振实验一般是在凝聚态中粒子处于热平衡的状态下进行的，激发态的磁共振则从未有人做过。卡斯特勒认为这是一项很好的建议，但关键在于如何实现。他找到了一个有效方法，就是利用偏振光对恒定磁场中的气态原子或分子作用，有可能实现激发态塞曼子能级产生选择跃迁。卡斯特勒一方面派自己的学生布洛塞尔（J.Brossel）去美国向比特学习；另一方面加紧在实验室里开展独立研究。1950年布洛塞尔和比特按照卡斯特勒的思想做成了第一个光磁共振实验，不过还不能探测原子的定向。
这一年卡斯特勒又提出，用圆偏振光激发原子，使原子的角动量发生变化，就可以使原子集中在基态的某一能级上，也就是改变原子在基态某一子能级的集居数。他把这种方法称为光抽运。
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不久，布洛塞尔从美国回来，师生两人合作研究光磁共振。他们用钠的D1谱线激发处于恒定磁场中的钠蒸气原子，探测其荧光辐射强度。卡斯特勒认识到，实验的成功与否取决于弛豫过程的速度。若弛豫过程太快，则只能观测到微弱的信号。于是改为用充有氢气的钠样品泡做实验。经过反复的试验，终于在1955年获得了强度足够的光抽运效应。之所以采用氢气，是因为氢气是几乎没有分子磁性的气体，可以起到缓冲的作用，使钠原子漂移到泡壁的速度大大减慢。接着他们又用射频场实现了超精细塞曼能级之间的跃迁，把光抽运和光磁双共振法结合在一起。
光磁共振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。
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。 卡斯特勒的成就与法国的科学传统是分不开的。他扎根于法国巴黎的高等师范学校，但并不闭关自守，而是力促国际交流。他很注意发挥科研集体的智慧和青年的力量，建立起团结协作的风气。例如，为了研究光抽运，在布洛塞尔1951年回国后，他们立即组织了一个研究组，吸收巴黎高等师范的学生参加，共同研究一些关键问题。这个组的年轻人写了十几篇论文，在光磁共振方法的研究中作出了各自的贡献。他很注意实验研究与理论研究的结合，也很注意基础研究与应用研究的结合。在发现光抽运的过程中，他先在理论上充分探讨，后在实验上付诸实现；以后他们对缓冲气体和弛豫过程、多量子跃迁以及光频移效应的研究，始终坚持实验与理论相结合的方针。从1958年起，卡斯特勒还兼任法国科学研究中心原子钟实验室主任，直到1972年退休。
(二)实验装置
DH807A光磁共振实验装置是根据高等院近代物理实验教学大纲的要求而研制的一套实验装置，可使学生了解到光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识；能煊性或定量地了解到原子内部的很多信息。它是典型的波谱教学实验之一。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沉没技术高几个数量级。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奈技术等方面有广泛应用。
本实验总体系统由光泵磁共振实验仪主体单元、辅助源、射频信号发生器及示波器四部分组成。
(三)实验设计 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。
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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。
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。
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D1?光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到MF=+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MF=+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D1?光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号。
??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V1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V2。这样水平磁场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B0值与射频频率V0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
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得Rb或Rb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
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一场值），改变频率同样可以获得Rb或Rb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。
4．测量g因子
为了研究原子的超精细结构，测准g因子时很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心
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处的磁感强度为式中N为线圈匝数，r为线圈有效半径（米）,I为直流电流（安）。B为磁感强度（特斯拉），普朗克常数h=6.626×10-34焦耳秒，玻尔磁子uB=9.274×10-24焦耳/特斯拉。利用两式可以测出g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因子实验的步骤自己拟定。
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有实验测量的结果计算出 Rb或Rb的g因子值。计算理论值并与测量值进行比较。
5．注意事项
(1)实验时必须先预热，待池温、灯温指示灯点亮后，方可进行实验。 (2)在观察磁共振信号，测量g因子和地磁场时应该尽量减小扫场的大小。
四、实验结果与数据处理
（一）核磁共振
实验中主要针对CuSO4和MnSO4样品进行了实验，得到数据如下：
1 实验仪器主要参数 测量内容 样品 共振时频率 (MHz) g 图形
2 3 测内容量 磁场强度 H F 实验数据 4925 20925KHz 19686KHz FeCl3 20.6403 0.0005498 实验数据 MnSO4 20.3854 0.000543 H2O
20.4421 0.0005445 B已经校准，通过测量未知原子核的共振频率v便可求出待测原子核?值（通常用
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