Физическая лаборатория - Портис А.
Скачать (прямая ссылка):
В случае резонанса сигнал будет наблюдаться на развертке осциллографа в виде пиков, превышающих по амплитуде шумы не менее чем в 100 раз при оптимальных условиях работы и имеющих частоту повторения 120 имп/сек, так как за каждый полный цикл поле дважды проходит через резонансную частоту. Расстояние между последовательными парами пиков на развертке осциллографа будет изменяться при изменении либо постоянного магнитного поля, либо частоты. В действительности пики в каждой из пар могут быть слиты друг с другом. Тогда частота повторения пиков составит 60 имп/сек. Причину этого явления легко выяснить с помощью рис. 4. Штриховая линия на рис. 4 определяет поле Я0, приводящее к резонансу при фиксированной частоте высокочастотного сигнала. Сплошная прямая задает величину постоянного магнитного поля, а синусоидальная линия представляет наложенное качающееся поле. Когда линия качающегося поля пересекает линию Но, имеет место резонанс. Если изменить величину постоянного поля, то качающееся поле на рис. 4 также переместится и будет пересекать линию Я0 в другие моменты времени. Можно провести подобное же рассмотрение, если фиксировать постоянное магнитное поле и медленно изменять частоту.
302
Естественный рубидий состоит из смеси двух изотопов ЯЬ85 и ИЬ87 с ядерными спинами &/2 и 3/а соответственно при соотношении весов 72 % к 28 %. Таким образом, каждый из этих изотопов имеет различные зеемановские и сверхтонкие структуры. Если амплитуда качающегося поля слишком велика, то наложение этих резо-нансов на осциллографе может привести к некоторой путанице. Кроме того, в высокочастотном сигнале могут присутствовать высокочастотные гармоники, что будет приводить к резонансам при нескольких значениях магнитных полей.
Форма типичного сигнала зеема-новского резонанса в ИЬ при непрерывной развертке осциллографа и частоте модуляции поля 60 гц представлена на рис. 5. Характер соседних близко расположенных пиков объясняется с помощью рис. 4. Нарастание сигналов характеризует уменьшение интенсивности света, экспоненциальный спад каждого из сигналов определяется временем, необходимым для очередной накачки образца. В данном случае внешнее магнитное поле достаточно слабое и резонанс существенно расширен из-за неоднородностей поля. Поэтому отдельные частоты зеема-новских переходов между различными //^-уровнями не разрешаются, хотя в принципе это вполне возможно.
Заключение. Мы описали в общих чертах основные положения теории оптической накачки и привели конструктивные характеристики аппаратуры, пригодной для наблюдения зеемановского расщепления сверхтонких уровней и частот сверхтонких переходов. Слегка усложнив аппаратуру, можно провести несколько других интересных экспериментов, некоторые из которых будут упомянуты в дальнейшем.
Кроме зеемановских резонансных частот и резонансных частот сверхтонкой структуры для ограниченного числа атомов, допускающих оптическую накачку, можно наблюдать резонансы и для других атомов и свободных электронов, если применить метод «вторичной» оптической накачки [9, 19—21]. Если в парах щелочного элемента, который подвергся оптической накачке, имеется примесь атомов некоторых посторонних элементов, то они будут приобретать некоторую ориентацию из-за столкновений с ориентированными щелочными атомами, при которых происходит обмен спинами. При резонансе ориентация посторонних атомов будет нарушена. Ее восстановление будет происходить при последующих столкновениях с атомами щелочных металлов, пока система не придет в положение равновесия. В этот интервал времени, пока равновесие не достигнуто, наблюдается уменьшенная прозрачность щелочных паров к резонансному излучению. Таким образом, щелочная система не только ориентирует атомы посторонних элементов, но и позволяет осуществить наблюдение за нарушением
303
их ориентации при подаче высокочастотного резонансного сигнала.
В щелочную систему вместо посторонних атомов можно ввести свободные электроны и определить резонансную частоту vs их Переходов с переворотом спина и далее с помощью соотношения й8=1г\81щН найти гиромагнитное отношение д3. В формуле ц0— магнетон Бора, Я — приложенное магнитное поле. Так как И трудно определить с нужной точностью, то vs можно сравнить с частотой зеемановского резонанса в щелочи, чередуя наблюдения этих двух резонансных сигналов при одном и том же поле. Таким
образом, #5 определяется в единицах ^-фактора для щелочного атома, величина которого может быть вычислена с хорошей точностью, что позволяет найти значение #5 [91. Свободные электроны можно легко получить, подавая импульсы напряжения Рис. 6. длительностью в несколько миллисекунд
и модулированные частотой в несколько мегагерц на настроенную катушку, которая располагается на выступающем горлышке резонансной колбы. Еще проще подать импульсы на электрод, впаянный в стенку колбы. В кратковременном разряде, который создается в буферном газе, образуется много свободных электронов. Для наблюдения электронного резонанса надо так синхронизовать импульсы, создающие ионизацию, с частотой качающегося магнитного поля, чтобы промежуток времени между этими импульсами и моментами времени, когда поле принимает значения, соответствующие электронному резонансу, составлял по меньшей мере несколько миллисекунд. При этих условиях система из атомов щелочных элементов и электронов придет в равновесие и будет наблюдаться слабый сигнал электронного резонанса (который приблизительно в 10—100 раз меньше, чем сигнал от резонанса для щелочных атомов). Такой резонанс показан на рис. 6. Отрицательные пики большой амплитуды вызваны ионизующими импульсами, длительность которых. 3 мсек, а частота следования 60 гц. Наклон линии, на которую накладывается сигнал электронного резонанса, вызван медленным увеличением прозрачности газа при накачке, следующей за ионизационным импульсом, который приводит к нарушению ориентации спинов. С помощью этого метода, используя весьма грубую установку, можно получить три значащие цифры в отношении ^-факторов.
