Z24 - Pompowanie optyczne

Z24 - Pompowanie optyczne
II Pracownia Fizyczna rok akademicki 2016/17
Wydziaª Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Jagiello«ski
Celem ¢wiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie si¦ ze zjawiskiem i z technik¡ pompowania optycznego i
radiowego rezonansu magnetycznego. Do dyspozycji studentów jest edukacyjny zestaw eksperymentalny, zaprojektowany i wykonany przez rm¦ Teach Spin. Zestaw ten wykorzystuje ±wiatªo wytworzone w lampie
rubidowej, które po spolaryzowaniu koªowym i odltrowaniu dªugo±ci fali 795 nm (podczerwie«, rezonansowa linia D1), absorbowane jest przez pary atomów rubidu o g¦sto±ci regulowanej temperatur¡ komórki, w
której zachodzi pompowanie optyczne. W pierwszej cz¦±ci ¢wiczenia badany jest przekrój czynny na absorpcj¦. W drugiej cz¦±ci ¢wiczenia, wykorzystuj¡c cewki kompensuj¡ce ziemskie pole magnetyczne oraz cewki
wytwarzaj¡ce staª podªu»ne i zmienne poprzeczne pola magnetyczne, badany jest rezonans magnetyczny i
wykonywany pomiar czynników Landégo.
Zagadnienia do przestudiowania
(d)
52 S1/2 (F = 2, mF = −1) − 52 S1/2 (F =
2, mF = 0) w polu magnetycznym 10−4 T.
1. Emisja i absorpcja ±wiatªa przez atomy, [1, 2, 4, 5].
2. Oblicz, ile atomów w jednym molu Rb znajduje
2. Struktura energetyczna atomów z jednym elektro-
si¦ w stanie
nem walencyjnym (przykªad Rb), [1, 2, 5].
52 P1/2
w warunkach równowagi ter-
modynamicznej przy T = 300K. Jaka jest ró»nica
obsadze« najni»szego i najwy»szego podpoziomu
3. Struktura subtelna i struktura nadsubtelna. Efekt
magnetycznego stanu podstawowego w polu ma-
Zeemana, [1, 2, 5].
gnetycznym o indukcji
10−4
T w tej temperatu-
rze?
4. Poj¦cie przekroju czynnego na absorpcj¦, [1, 2, 4,
5].
3. Wyja±nij, jak wytworzy¢ ±wiatªo o polaryzacji ko5. Zjawisko i technika pompowania optycznego, [1, 2,
ªowej dysponuj¡c ltrem polaryzacyjnym i pªytk¡
4, 5].
¢wier¢falow¡?
6. Radiowy rezonans magnetyczny, [1, 4, 6].
Aparatura i materiaªy
7. Wytwarzanie pola magnetycznego. Ukªad cewek
Helmholza.
Do dyspozycji studentów jest edukacyjny zestaw eks8. Ziemskie pole magnetyczne (warto±¢ indukcji i kierunek wektora).
perymentalny, zaprojektowany i wykonany przez rm¦
Teach Spin (Rys.1), [6].
9. Wytwarzanie koªowej polaryzacji ±wiatªa. Polaryzator liniowy, pªytka ¢wier¢falowa, [3].
Zestaw eksperymentalny wykorzystuje ±wiatªo wytworzone (wyªadowaniem RF) w lampie rubidowej, które
po spolaryzowaniu liniowym, a nast¦pnie koªowym i
po odltrowaniu dªugo±ci fali 795 nm (podczerwie«),
10. Filtr interferencyjny, [3, 4].
absorbowane jest przez pary atomów rubidu (rezo11. Budowa toru optycznego z wykorzystaniem ªawy
optycznej, [3].
nansowa linia
D1 )
o g¦sto±ci regulowanej tempera-
tur¡ komórki, w której zachodzi pompowanie optyczne.
Po przej±ciu przez komórk¦ pompowania optycznego i
12. Soczewka pªask-wypukªa w roli kondensora i kolimatora ±wiatªa, [3].
uformowaniu przez kolimator, wi¡zka ±wiatªa traa na
detektor, który rejestruje jej nat¦»enie. W pierwszej
cz¦±ci ¢wiczenia badany jest przekrój czynny na absorpcj¦ w parach atomowych. W drugiej cz¦±ci ¢wicze-
Zadania obliczeniowe
nia, wykorzystuj¡c cewki kompensuj¡ce ziemskie pole
magnetyczne oraz cewki wytwarzaj¡ce staª podªu»ne
1. Oszacuj wielko±ci ró»nic energii pomi¦dzy poni»szymi parami stanów w Rb; wszystkie warto±ci
wyra¹ w eV i w Hz:
2
2
i zmienne poprzeczne pola magnetyczne, badany jest
rezonans magnetyczny i wykonywany pomiar czynników Landégo. Ze znajomo±ci pr¡dów pªyn¡cych przez
cewki kompensuj¡ce zastane pole magnetyczne oraz z
(a)
5 S1/2 − 5 P3/2
(przej±cie optyczne),
(b)
52 P1/2 − 52 P3/2
(struktura subtelna),
(c)
52 S1/2 (F = 2) − (F = 3)
podanych staªych tych cewek mo»na obliczy¢ warto±¢ i
kierunek wektora indukcji ziemskiego pola magnetycznego.
(struktura nadsub-
telna stanu podstawowego),
1 z 2
Z24, Tadeusz Paªasz
Rysunek 1: Zestaw eksperymentalny wykorzystywany w ¢wiczeniu Pompowanie optyczne. Umieszczone na
ªawie optycznej (zdj¦cie po lewej ) lampa rubidowa, termostat komórki z parami Rb, detektor ±wiatªa oraz
ukªad cewek wytwarzaj¡cych pola magnetyczne (kompensuj¡cych pole ziemskie, wytwarzaj¡cych pole podªu»ne
i zmienne poprzeczne pole o cz¦sto±ci radiowej) zasilane i kontrolowane s¡ poprzez ukªady elektroniczne zblokowane w jednej obudowie (zdj¦cie po prawej).
Program ¢wiczenia
Zasady BHP
1. Ustawienie toru optycznego (regulacja poªo»enia
Podczas wykonywania ¢wiczenia student zobowi¡-
soczewek, lampy rubidowej oraz detektora ±wiatªa
zany jest do przestrzegania zasad bezpiecze«stwa i hi-
na ªawie optycznej).
gieny pracy. Prosimy nie zmienia¢ istniej¡cych poª¡-
2. Ustawienie
temperatury
komórki
pompowania
optycznego (termostat PID).
±wiatªa
nywania ¢wiczenia powinny by¢ natychmiast zgªoszone
prowadz¡cemu. W razie jakichkolwiek w¡tpliwo±ci stu-
ªowej polaryzacji ±wiatªa.
absorpcji
czenie. Wszystkie uszkodzenia wtyczek, kabli, poª¡cze«, przeª¡czników, które powstan¡ w trakcie wyko-
3. Ustawienie polaryzatorów w celu wytworzenia ko-
4. Pomiar
cze« elektrycznych bez konsultacji z prowadz¡cym ¢wi-
rezonansowego
przez
atomy rubidu.
dent natychmiast powinien zwróci¢ si¦ po pomoc do
prowadz¡cego ¢wiczenie.
Literatura
5. Wyznaczenie przekroju czynnego na absorpcj¦.
6. Kompensacja
zastanego
pola
magnetycznego
[1] Z. Le±,
(ziemskiego).
7. Badanie rezonansu w zerowym polu magnetycz-
[2] G.K.
Podstawy zyki atomu, PWN 2015.
Woodgate,
Struktura atomu,
PWN
1974;
(Ÿ8.1, Ÿ9.6).
nym.
8. Badanie rezonansu magnetycznego i pomiar czyn-
[3] E. Hecht,
Optyka, PWN 2012.
ników Landégo.
[4] W. Demtröder,
9. Pomiar ziemskiego pola magnetycznego.
Spektroskopia laserowa, PWN, 1993
Atomy i kwanty. Wprowadzenie do wspóªczesnej spektroskopii atomowej , PWN
[5] H. Haken, H.C. Wolf,
Opracowanie wyników
1997.
Przekrój czynny na absorpcj¦ w parach atomowych
[6] http://www.teachspin.com/optical-pumping.html
rubidu wyznaczany jest na podstawie pomiaru nat¦»enia ±wiatªa przechodz¡cego przez komórk¦, której
temperatura jest zmieniana i termostatowana. Wyko-
.
[7] Z24)
rzystuj¡c generator cz¦sto±ci radiowych i precyzyjny
Instrukcja do ¢wiczenia Z24
- dostepna po
zalogowaniu.
cz¦sto±ciomierz mo»na obserwowa¢ (sygnaª z detektora ±wiatªa rejestrowany przez oscyloskop) rezonans
magnetyczny w obu izotopach rubidu (
85
Rb i
87
Rb)
i na tej podstawie wyznaczy¢ czynniki Landégo. Ze
znajomo±ci pr¡dów pªyn¡cych przez cewki kompensuj¡ce zastane pole magnetyczne (pole ziemskie i wpªyw
elementów ferromagnetycznych konstrukcji budynku)
oraz z podanych w instrukcji ¢wiczenia staªych cewek
mo»na obliczy¢ warto±¢ i kierunek wektora indukcji zastanego w miejscu wykonywania ¢wiczenia pola magnetycznego.
2 z 2
Z24, Tadeusz Paªasz