氦铷中性碰撞对铷原子精细光谱影响的实验理论研究
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 。
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+=。
光泵磁共振
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：光泵磁共振【实验目的】1．观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。
2．观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
3．学会利用光磁共振的方法测量地磁场。
【实验原理】一. 铷原子基态和最低激发态的能级天然铷的同位素有两种：87Rb ，85Rb 。
基态轨道量子数L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数J =1/2，它们的基态都是52S 1/2。
在LS 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，因而最低激发态形成双重态：52P 1/2和52P 3/2。
二. 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应原子吸收光产生塞曼能级间的跃迁满足能量守恒关 E h ∆=ν （B7-1）式中ν是光的频率，E ∆是初、终态的能量差。
此外，原子在能级间的跃迁还要满足选择定则1±=∆L ；1 0F ∆=±，；⎪⎩⎪⎨⎧-+=∆-+）（入射光为）（入射光为）（入射光为σπσ10 1F M其中+σ光为电场矢量绕磁场方向左旋的圆偏振光，-σ光为电场矢量绕磁场方向右旋的圆图B7-1 87Rb 原子对D 1σ+光的吸收和退激跃迁偏振光，π为电场矢量与磁场方向平行的线偏振光。
实验中，对铷光源进行滤光和变换，只让D 1+σ光通过并照射到产生塞曼分裂的铷原子蒸气上，铷原子将对D 1+σ光产生吸收而发生能级间的跃迁。
以87Rb 为例说明一下磁场环境中原子对D 1+σ光的吸收跃迁，如图B7-1所示。
退激跃迁中有一部分原子的状态成为5S 能级中的M F =+2态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P 去的，那些回到其它7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P 能级。
当光连续照着，跃迁5S →5P →5S →5P →…这样的过程就会持续下去，5S 态中M F =+2子能级上的原子数就会越积越多，其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D 1+σ光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S 态的M F =+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，此时透过87Rb 蒸汽的光强达到最大。
铷原子光泵磁共振实验报告
1 ~ H 扫（右 2
图）；继续增大水平电流，当三角波的中央刚好对应 H 时，总磁场与所加的水平方向磁场（ H 1 ）满足
H H1 H 地水 H 扫 （中图）；再继续增大水平电流，当三角波的波谷刚好对应 H 时，总磁场与所加的
水平方向磁场（ H 1 ）满足 H H 1 H 地水 H 扫
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%）。
1 ~ H 扫 （左图）。 2
图 4 磁共振信号
而当三角波的波峰、波谷对应 H 时，判断共振信号时刻的误差较大，且总磁场 H 中含有 H 扫 项，计算 H 需较多组的数据。因此，实验中测量中图（即 H 对应三角波中央）所对应情况，也更容易判断共振信号 出现时刻。 实验中分别测量了扫场、水平场不同组合下，满足中图（H 对应三角波中央）情况的水平磁场电流， 计算时仅需要前三组即可。实验数据见表 1。三组情况分别对应
m F 1 的跃迁，所以处于 5 2 S1 / 2 的 m F 2 子能级上的粒子不能被激发至 5 2 P1 / 2 态。
2 当原子经历自发辐射和无辐射跃迁从 5 2 P 1 / 2 回到 5 S1 / 2 时，粒子返回到基态各子能级的概率相等。这
近代物理实验报告2
2016/10/10 10:24:00近代物理实验报告2实验名称：光磁共振指导教师：刘洋专业：物理班级：求是物理班1401姓名：朱劲翔学号：3140105747实验日期：2016.11.23实验目的：1．加深对超精细结构原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。
2．掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法。
3．测定铷(Rb )原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子F g 和地磁场强度E B 。
实验原理：1 铷原子基态及最低激发态能级的塞曼分裂天然铷含量大的同位素有两种：Rb 85占72.15%,Rb 87占27.85%。
铷是一价碱金属原子（原子序数为37），基态是2125S ，即电子的轨道量子数0=L ，自旋量子数21=S 。
轨道角动量与自旋角动量耦合成总的角动量J 。
由于是LS 耦合，S L J +=，···,S L J -=。
铷的基态21=J 。
铷原子的最低光激发态是125P 及2325P 双重态，它们是LS 耦合产生的双重结构，轨道量子数L=1，自旋量子数 S=1/2。
2125P 态J=1/2；325P 态J=3/2。
在5P 与5S 能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特别强，2125P 到2125S 跃迁产生的谱线为1D 线，波长为nm 8.794，325P 到2125S 的跃迁产生的谱线为2D 线，波长是nm 0.780。
原子物理学中已给出核自旋I=0时，原子的价电子LS 耦合后总角动量J P与原子总磁矩J μ的关系：Je J J P m e g2-=μ (4-1))1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J(4-2)其中式中J g 为铷原子精细结构朗德因子。
当I ≠0时，Rb 87的I=3/2，Rb 85的I=5/2。
设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ，I P 与J P 耦合成F P，有J I F P P P +=。
光泵磁共振实验报告
学生实验报告内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得一、实验目的：1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解；2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子；3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场。
二、实验使用仪器与材料：数字示波器、光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、频率计、DHg07A型光磁共振实验装置电源。
（核磁共振仪器连线图）三、实验步骤：1．仪器调整（1）揿进预热键，加热样品吸收泡约5０℃并控温，同时也加热铷灯约９０℃并控温，约3０分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。
（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。
（３）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。
2．观测光抽运信号（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。
当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。
（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。
同时旋转１／４波片，可获得最佳光抽运信号（图３．2-４）。
扫场是一交流调制场。
当它过零并反向时，分裂的塞曼子能级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。
扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。
当地磁场的垂直分量被垂直场抵消时将出现最佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。
３．测量基态的值由磁共振表达式得 (4)υ可由频率计给出，因此如知便可求出。
此处是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以测知的水平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。
铷光谱灯光谱自吸收现象研究
铷光谱灯光谱自吸收现象研究何胜国;郝强;许风;王芳;赵峰;钟达;梅刚华【摘要】由自吸收导致的铷光谱灯超精细光谱轮廓变形，对铷原子频标的频率稳定度有不利影响。
用F-P干涉仪测量了三种常用铷光谱灯的超精细光谱轮廓，研究了启辉气体种类、压力、谱灯工作温度和激励功率对自吸收的影响。
结果表明，充Ar和充Kr谱灯自吸收效应比较显著，充Xe谱灯自吸收不明显；适当增大气体压力、降低灯泡工作温度、增大射频激励功率，可以减小光谱灯的自吸收效应。
%Spectral line profile distortion, resulted from self-absorption of rubidium atoms in the rubidium spectral lamp bulb, is detrimental to the frequency stability of rubidium frequency standard. In this study, the hyperfine spectral profiles of rubidium lamps were studied with an F-P interferometer, and the influence of the type and pressure of buffer gas, lamp operating temperature and radio frequency-excitation power on self-absorption was examined. The results showed that the lamps filled with Ar gas or Kr gas showed serious self-absorption, while Xe-filled lamps had less self-absorption. Self-absorption could also be reduced by either sufficiently decreasing the operating temperature or increasing the pressure of buffer gas and rf-excitation power of the lamp.【期刊名称】《波谱学杂志》【年(卷),期】2016(033)002【总页数】7页(P288-294)【关键词】铷原子频标;铷光谱灯;自吸收;超精细光谱轮廓【作者】何胜国;郝强;许风;王芳;赵峰;钟达;梅刚华【作者单位】中国科学院原子频标重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北武汉 430071; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院原子频标重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北武汉 430071; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院原子频标重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北武汉 430071; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院原子频标重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北武汉 430071;中国科学院原子频标重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北武汉 430071;中国科学院原子频标重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北武汉 430071;中国科学院原子频标重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北武汉 430071【正文语种】中文【中图分类】O482.53;O455.1*通讯联系人：梅刚华，电话：************,E-mail:***********.cn.铷光谱灯是铷原子频标的选态光源，其作用是通过光抽运在铷原子频标钟跃迁的两个能级之间形成粒子数反转.铷光谱灯是一种无极放电灯[1]，它利用射频激励电场使灯泡中的起辉气体电离，产生电子和离子.高速运动的电子和离子通过碰撞将启辉气体分子激发到激发态.处于激发态的起辉气体分子通过碰撞将灯泡中87Rb蒸气原子激发到激发态，激发态铷原子自发辐射回到基态时发出荧光.87Rb原子光谱中含有D1线和D2线两种成分，如图1所示.由于基态能级超精细分裂较大，每一成分又含有a、b两条超精细谱线[2].用精密光谱仪测量超精细谱线光谱，可以得到图2所示的谱线轮廓.可以看到，超精细光谱会出现中心强度减弱和线宽展宽的现象，这种现象是由铷原子发光被周围其他处于基态的铷原子吸收导致的，称为自吸收.自吸收严重时，谱线中心出现凹陷，称为自蚀.Dieke等人[3]研究了谱线自吸收现象的理论机理.设I0P(ν)为没有自吸收时的谱线轮廓，考虑自吸收后谱线轮廓变为：其中：p为表征自吸收程度的自吸收系数，B为谱线受激辐射几率，ν0为中心频率，Na 为处于基态的能够吸收其他原子发光的原子数.图2给出的是自吸收系数p不同（p=0、0.5、1、2、5、10）时的谱线轮廓，横轴中μ=v-v0，以半高宽δ为单位，δ为没有自吸收时谱线半高宽.p=0对应没有自吸收的情况，p越大表示自吸收程度越严重.Hao等人[4]最近研究了铷光谱灯谱线轮廓对铷原子频标频率稳定度的影响.结果表明，由自吸收引起的谱线轮廓变形，会降低光抽运效率，影响铷频标的短期稳定度；还可以通过改变零光频移点，影响铷频标的长期稳定度.但是，减小谱线轮廓变形对铷钟频率稳定度的影响，还必须从减小光谱灯自身的光自吸收效应入手.本文利用F-P干涉仪超精细光谱测量技术，以目前广泛使用的Ar、Kr、Xe三种起辉气体铷光谱灯为对象，研究谱线自吸收与启辉气体种类、压力和激励功率之间的关系，探讨减小谱线自吸收变形的技术方案.研究铷光谱灯谱线自吸收需要测量铷谱灯超精细光谱.利用F-P干涉仪测量铷原子超精细光谱的实验装置示于图3.铷光谱灯发光通过窄带滤光片滤光，仅使D1线或D2线通过，再经焦距为140 mm的透镜准直，进入F-P腔.光线在腔内两片高反射镜之间发生多次反射，反射光之间发生多光束干涉，只有特定波长的光可以透过F-P 腔.出射光通过成像透镜后被光电倍增管探测.计算机控制气泵均匀改变F-P腔内的气压，透过F-P腔的波长随之发生变化，从而扫描出谱线的超精细光谱.F-P腔的通光孔径为25 mm，镜面间距为10 mm，自由光谱程为15 GHz，精细度约为30.实验中使用本实验室自制的铷光谱灯[5]，灯泡为圆柱形，直径为8 mm，长15 mm，充有适量的铷和起辉气体.射频电路为Clapp振荡电路，产生激励灯泡发光的射频信号，振荡频率约为120 MHz.2.1 D1线和D2线自吸收比较图4给出充Ar铷光谱灯在不同温度条件下D1线和D2线超精细光谱，氩气的压力为1.6 torr（213.28 Pa）.从图4可以看到，无论是D1线还是D2线，温度升高时都会出现自吸收现象，温度越高，自吸收越严重.这是因为温度越高，灯泡中处于基态的铷原子数也就越大，由(2)式可知，此时自吸收系数也增大，因此自吸收更严重.比较图4(a)和(b)，可以发现，在相同的温度下，D2线自吸收比D1线严重，这是由于D2线的受激辐射几率比D1线大2倍的缘故.我们也比较过充Kr和充Xe铷光谱灯的D1线和D2超精细光谱，得到的规律与图4基本类似.2.2 启辉气体种类和压力对自吸收的影响利用自吸收现象更显著的D2线来考察启辉气体种类和压力对谱线自吸收的影响，测量了压力分别为1、1.6和3 torr（133.30、213.28和399.90 Pa）三种气体谱灯的超精细光谱（示于图5~7，图中纵轴表示光强）.需要说明的是，不同谱灯的发光强度，受泡坯不一致性的影响，不具有绝对可比性.本文主要考察的是光谱线的轮廓，因此不影响实验结果的分析和讨论.由图5~7可以看到，在气体压力相同时，充Xe谱灯自吸收程度最轻，充Kr谱灯次之，充Ar谱灯最重.这是由三种气体的电离能和碰撞截面的差异造成的.Xe的电离能最低，在同样的温度和激励条件下更容易发生电离，且它与铷原子的碰撞截面也最大.因此用Xe作为起辉气体时，就有更多的铷原子被激发到激发态参与发光，处于基态的铷原子较少，自吸收程度减轻.相比而言，Ar和Kr的电离能较高，碰撞截面也较小，自吸收也就较重.两者中Ar的电离能更高，所以充Ar谱灯的自吸收更严重.由图5~7还可看到，对每一种启辉气体，压力增大时自吸收程度都呈现减轻的趋势，表现形式是谱线出现自蚀的最低灯温（定义为自蚀温度）变高.以充Ar谱灯为例，气体压力为133.30 Pa时，自蚀温度为95 ℃；压力为213.28 Pa时，自蚀温度为100 ℃；压力为399.90 Pa时，自蚀温度为125 ℃.这种现象是容易理解的.气体压力越大，则气体分子与铷原子的碰撞就更频繁，就有更多的铷原子处于激发态，处于基态的铷原子数量减少，自吸收程度因而减轻.2.3 激励功率对自吸收的影响射频激励功率与激励电路的直流功率成正比，因此实验中可以通过改变直流功率来改变射频激励功率.图8给出直流功率在1.6~5.9 W范围变化时，三种起辉气体谱灯D2线超精细光谱轮廓.气体压力均为133.30 Pa，工作温度均为115 ℃.由图8可看到，充Ar和充Kr谱灯在激励功率较低时，均存在较为严重的自吸收，但随着激励功率增大，自吸收逐渐减轻并最终消失.激励功率增大，处于基态的铷原子减少.当激励功率增大到一定值时，几乎所有的铷原子都将处于激发态而参与发光，参与自吸收的铷原子数量几乎为0，自吸收现象就会消失.充Xe谱灯的情况则有所不同.由于其电离能低，即使激励功率较低，Xe离子密度也可以大到可将几乎全部铷原子激发到激发态的程度，不易出现自蚀现象，如图8(c)所示.铷原子频标中，对原子选态效果有作用的是谱灯光谱中的b成分.基于图5~7，得到在正常激励功率（3 W）条件下各种光谱灯D2线b成分的自蚀温度，列于表1. 由表1可知，启辉气体压力相同时，充Ar谱灯自蚀温度最低，充Kr谱灯居中，充Xe谱灯最高.因此，为了消除或减轻谱灯的自蚀，可以选用电离能低的Xe作为起辉气体，还可以在起辉气体确定以后，选用尽可能低的灯泡工作温度.但需要指出的是，灯温的选用还必须考虑谱灯张弛振荡和光强的约束.张弛振荡是在一定灯温范围内，起辉气体和铷原子交替发光的现象，此时铷发光光强不稳定，是一种不可用的状态.灯温低于张弛温度时，光强虽稳但太弱[如图5(b)中温度低于115 ℃时的情形]，也不可用.因此用Ar或Kr作为起辉气体时，不能为了减轻自蚀而将灯温度降低到张弛温度以下.而根据我们的经验，两种谱灯的张弛温度在110~120 ℃范围，这就给完全消除自蚀现象造成困难.充Xe谱灯则不仅自蚀温度高达130 ℃，且在很大的灯温范围内没有观察到张弛振荡，因此很容易找到合适的灯温，既保证足够的光强和光强稳定性，又保证谱线轮廓不出现自蚀.目前国际上稳定度最高的铷原子频标采用的抽运光源就是充Xe的铷谱灯[6]，这应该与该种谱灯优良的光谱轮廓特性有关.图8的结果表明，采用适当高的射频激励功率，对减小铷谱灯光谱的自吸收是有好处的.需要说明的是，铷谱灯自吸收特性可能还与射频激励频率、振荡回路的Q 值、灯泡长度尺寸和泡材料厚度等因素相关.弄清这些因素的影响，还需要更深入的研究.本文利用F-P干涉仪超精细光谱测量技术，研究了三种常用的铷光谱灯发光光谱的自吸收特性.结果表明：（1）铷原子D2线的自吸收比D1线更严重；（2）起辉气体种类不同，自吸收程度也不同，存在较大差异，充Ar谱灯自吸收现象最重，充Kr谱灯次之，充Xe谱灯最轻；（3）起辉气体压力和谱灯射频激励功率增大，灯泡工作温度降低，自吸收效应可以减轻.本文解释了上述现象的物理原因，讨论了减轻光谱自吸收的技术对策.选用电离能较低的Xe气作为起辉气体，适当降低灯泡工作温度、增大气体压力和射频激励功率，都有助于达到减轻自吸收的目的.【相关文献】[1] Wang Yi-qiu(王义遒), Wang Qing-ji(王庆吉), Fu Ji-shi(傅济时), et al.Quantum Frequency Standard Theory(量子频标原理)[M].Beijing(北京): Science Press(科学出版社), 1986.[2] Gibbs H M, Hull P J.Spin-exchange cross sections for Rb87-Rb-87 and Rb87-Cs133 collisions[J].Phys Rev, 1967, 153(1): 132-154.[3] Cowan R D, Dieke G H.Self-absorption of spectral lines[J].Rev Mod Phys, 1948, 20(2): 418-455.[4] Hao Q, He S G, Xu F, et al.China Satellite Navigation Conference (CSNC) 2015 Proceedings[C].Xi’an: Springer-verlag, Berlin, Heidelberg, 2015.[5] Zhao Feng(赵峰), Zeng Yuan(曾媛), Wu Han-hua(吴汉华), et al.A Rubidium Discharge Lamp Used in Rubidium Frequency Standard(星载铷原子频标光谱灯研制)[C].贵阳: 2003年全国时间频率学术会议, 2003.[6] Dass T, Freed G, Petzinger J, et al.Proceedings of the 34th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting[C].Reston U S A: US Naval Observatory, 2002.。
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2024届江苏省泰州市高三第一次模拟考试物理卷一、单选题：本题共7小题，每小题4分，共28分 (共7题)第(1)题某物体在竖直方向做直线运动的图像如图所示，则物体在内的平均速度大小（ ）A．等于B．大于C．小于D．等于第(2)题已知氢原子处于基态的能量为，第n能级的能量。
大量处于某同一激发态的氢原子向低能级跃迁时，辐射的光子中能量最大为，h为普朗克常量。
则这些氢原子向低能级跃迁时，辐射的光子中频率最小为（ ）A．B．C．D．第(3)题下列说法正确的是（ ）A．图甲α粒子散射实验中，粒子与金原子中的电子碰撞可能会发生大角度偏转B．图乙大量氢原子处于的激发态，跃迁过程中能释放出6种频率的光子C．图丙中随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向频率较低的方向移动D．图丁光电效应实验中滑动变阻器的触头向右移动，电流表的示数一定增大第(4)题如图所示，一个单色发光源S紧贴在球形透光物体球心正下方的圆弧面上，发光源S向球内的各个方向发射单色光，恰好有半个球面有光线射出。
不考虑光在球形物体内的反射，下列说法正确的是（ ）A．有光线射出是球形物体的下半部分B．球形物体对该单色光的折射率为C．单色光在球形物体内的速度大于D．沿各个方向发射的单色光在球形物体内传播的时间相等第(5)题如图甲所示的交变电路中，变压器可看作理想变压器，灯泡和电动机的额定电压相等，当原线圈两端接有如图乙所示的交流电压时，灯泡刚好正常发光，电动机也刚好正常工作。
已知电动机的内阻，电动机的额定功率为2 W、效率为，灯泡正常发光时电阻为。
下列说法正确的是（ ）A．灯泡的额定电压为1 V B．原、副线圈的匝数比为C．原线圈中的电流为D．灯泡中的电流1 s内方向改变50次第(6)题下列说法中正确的是（ ）A．1887年爱因斯坦在研究电磁波的实验中发现了光电效应现象，并提出了光电效应理论，获得1921年诺贝尔物理学奖B．组成原子核的核子越多，它的结合能越大C．衰变中产生的射线实际上是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的D．任何两个原子核都可以发生聚变第(7)题科幻电影《流浪地球2》中出现了太空电梯的场景。
光磁共振实验报告
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 。
铷原子的光泵磁共振实验
铷原子的光泵磁共振实验【摘要】利用光抽运效应研究铷原子超精细结构塞曼子能级的磁共振，测定金属铷原子的朗德因子F g 、地磁场强度及其倾角。
关键词：光泵、光抽运、超精细结构、塞曼子能级、朗德因子、磁共振一、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。
气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，利用磁共振的方法难于观察。
本实验利用光泵磁共振方法既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下(0.1-1mT)精确检测气体原子能级的超精细结构。
二、实验原理1、铷原子基态及最低激发态的能级铷原子基态为2/12S 5，即电子的轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量J= 1/2。
最低激发态2/12P 5 及2/32P 5是由L-S 耦合产生的双重态，轨道量子数L=1,自旋量子S=1/2。
2/12P 5态J=1/2；2/32P 5 态J=3/2。
在能级5P 与5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条线，为双线。
2/12P 5到2/12S 5的跃迁产生的谱线为D1 线，波长是7948Å；2/32P 5 到2/12S 5的跃迁产生的谱线为D2 线，波长是7800Å。
核自旋 I = 0 的原子的价电子L-S 耦合后总角动量JP与原子总磁矩J μ 的关系为：J JJ eg P 2mμ=- （1） J J(J 1)L(L 1)S(S 1)g 12J(J 1)+-+++=++ （2）I ≠0时，Rb 87I = 3/2，Rb 85I = 5/2。
设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ，I P 与J P耦合成F P ，有F P =I P +J P。
耦合后的总量子数F= I+J,…,| I-J |。
Rb 87基态F 有两个值，F = 2 及F = 1；Rb 85基态有F = 3 及F = 2。
由F 量子数表征的能级称为超精细结构能级。
近代物理实验 光泵磁共振 (6-3)
4.实验预习中的一些问题
• 1.本实验中我们引入了扫场线圈和扫场的概念， 对于不同的小实验中，扫场输出的波形是有规定 的，这种规定能否改变，有何影响？ • 2.在前面的光速测量实验中，我们看到示波器对 于多路信号的测量的准确性不如数字仪器（数字 位相计），这个实验中，我们又多次使用示波器 观察，有没有数字仪器代替品代替示波器来完成 这个实验，从而提高精度？ • 3.在地磁场的测量中，我们自拟了一个实验方案， 在实验室条件下，利用这套仪器有没有更佳的方 案？
（二）弛豫过程
热平衡状态下,基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布(N = N0e−E/kT)。由于各子能级的能级差很小,近似认为各能级上的粒 子数相等。光抽运造成粒子数差变大,使系统处在粒子数反转分布 状态。系统由非热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为 弛豫过程。本实验与弛豫有关的几个主要过程: 1、铷原子与容器碰撞导致子能级之间的跃迁,使原子恢复到热 平衡分布, 失去光抽运造成的偏极化。 2、铷原子之间的碰撞导致自旋-自旋交换弛豫。当外磁场为0时 塞曼子能级简并,这种弛豫使原子回到热平衡分布,失去偏极化。 3、铷原子与缓冲气体间碰撞。由于缓冲气体分子磁矩很小，碰 撞对铷原子磁能态扰动极小,这种碰撞对原子的偏极化基本无影响。 铷原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因。缓冲气体分子 不可能将子能级之间的跃迁全部抑制,因此不可能把粒子全部抽运 到mF =+2的子能级上。处于5 2P1/2 态的原子需与缓冲气体分子碰撞 多次才有可能发生能级转移。缓冲气体分子还有将粒子更快地抽 运的mF=+2子能级的作用。
水平|)
A
于是有： hν1+hν2=2gFμBB水平,这 样就消除了地磁场的干扰，从而求出gF 的值。 由于85Rb和87Rb都会发生共振，其中 87Rb的共振频率高，所以87Rb的取值应选 共振频率较大的一组。
铷原子的光泵磁共振实验
铷原子的光泵磁共振实验【摘要】通过光抽运技术和磁共振技术相结合，研究了铷原子的光泵磁共振现象。
实验中，通过示波器显示波形，采用扫场法测量磁共振信号，测量了Rb 的朗德因子g F 以及地磁场的强度和磁倾角。
【关键词】超精细结构 塞曼子能级 光抽运 磁共振 朗德因子一、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及塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。
气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，利用磁共振的方法难于观察。
实验中使用的光泵磁共振技术，一方面光抽运改变了磁能级上粒子数的分布，另一方面采用光探测的方法克服了磁共振信号弱的缺点，所以光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约七八个量级，能在弱磁场下(0.1-1mT)精确检测气体原子能级的超精细结构。
二、 实验原理2.1铷原子基态和最低激发态的能级铷Rb 是碱金属原子，其最外层有一个价电子，位于5S 能级上。
天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb 和85Rb 。
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，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 ，考虑原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。
耦合后的总量子数为F 。
角动量相关的原子总磁矩为2F FF eeg P m μ=- （1） )1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF （2）其中，F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子。
在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，当磁场较弱时为反常塞曼分裂，磁量子数m F =F ，F-1，…，-F ，所以会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级。
如图1所示。
光磁共振实验报告
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。
氦铷中性碰撞对铷原子精细光谱影响的实验理论研究
氦铷中性碰撞对铷原子精细光谱影响的实验理论研究氦铷中性碰撞对铷原子精细光谱影响的实验理论研究摘要：本文通过实验和理论研究，探讨了氦铷中性碰撞对铷原子的精细光谱产生的影响。
实验结果表明，氦铷中性碰撞可显著影响铷原子的能级结构和光谱特性。
对这些影响进行了理论分析，并将实验和理论研究结果进行了对比和解释。
1.引言近年来，铷原子的光谱研究在原子物理学领域中变得越来越重要。
铷原子是一种广泛应用于激光技术、磁共振成像等领域中的原子。
精细光谱对这些应用非常关键。
然而，在实际应用中，常常会遇到铷原子的精细光谱异常问题，如能级位移、光谱线形变化等。
其中，来自气体环境中的中性碰撞对铷原子的精细光谱产生了显著影响。
本实验通过将铷原子与氦原子进行碰撞，并利用磁共振成像等方法对其进行光谱分析，研究了氦铷中性碰撞对铷原子精细光谱的具体影响。
2.实验方法实验使用了特制的碰撞装置，将铷原子束和氦原子束进行碰撞。
在碰撞后，利用磁共振成像技术测量铷原子的光谱特性。
同时，我们也进行了对比实验，分别研究了纯铷原子和氦原子与其他原子碰撞后的光谱特性。
通过对比实验结果，我们可以准确判断氦铷碰撞对铷原子精细光谱的影响。
3.实验结果实验结果显示，氦铷中性碰撞显著影响了铷原子的能级结构和光谱特性。
首先，我们观察到了铷原子的能级位移现象，比纯铷原子产生了明显的变化。
通过精确的测量和对比，我们发现了这种位移现象的具体规律，并进行了理论解释。
其次，在光谱线形方面，氦铷碰撞导致了铷原子光谱线形的变化。
不同于纯铷原子的窄线宽，氦铷碰撞后的铷原子产生了多峰结构。
我们推测这种多峰结构的形成与氦原子的碰撞机制有关，并进行了深入的实验和理论研究。
4.理论分析结合实验结果和已有理论，我们对氦铷中性碰撞对铷原子精细光谱的影响进行了深入的理论分析。
我们提出了一种新的理论模型，可以解释氦铷碰撞对铷原子能级位移和光谱线形的影响。
该模型基于碰撞过程中电子和核心的相互作用，从微观的角度解释了铷原子的光谱现象。
铷原子磁力仪最佳抽运光强的研究
铷原子磁力仪最佳抽运光强的研究李佳佳;丁志超;汪之国;肖光宗;胡绍民【摘要】In order to obtain the optimal pump light intensity of a rubidium atomic magnetometer and improve its sensitivity , the relationships among the polarization , signal to noise ratio , sensitivity of magnetometer and pump light intensity were analyzed . An experimental system was designed .Transverse relaxation time and longitudinal relaxation time of a 20mm diameter spherical vapor cell with different pump light intensity were measured by using free induction decay method .The corresponding polarization data was calculated and the fitting curves of polarization , signal to noise ratio , sensitivity influenced by pump light intensity were received.The results show that the optimal pump light intensity is optimum in the rubidium atomic magnetometer under the pump light intensity of about 10mW/cm2 .It will be helpful for using the pump light effectively and optimizing sensitivity of the rubidium atomic magnetometers further .%为了得到铷原子磁力仪的最佳抽运光强，进而优化原子磁力仪的灵敏度，理论分析了抽运光强与磁力仪的极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系，设计了实验装置。
四波混频波形.
第1章引言碰撞问题是物理学中常见的问题，早在1639年就有物理学家开始提出有关碰撞的问题，之后的几百年中无数科研工作着持续对碰撞问题进行探索，提出不同的假设，运用实验演示验证自己的理论，研究碰撞问题的规律和特点等。
当时的碰撞问题还只局限于宏观物体的碰撞，到近代物理研究中碰撞问题的研究已经深入到微观领域。
物质是由分子构成，碰撞效应能够对对物质的结构的检测和分析，用于研究激光制冷。
对于碰撞截面的探究有助于我们了解碰撞系统下能量的再分布，各个能级之间的跃迁几率等等。
它不仅仅在物理方向具有重要作用，而且在其它领域都具有广泛的应用，包括，天文学、等离子体学、原子物理学化学、材料和气体电子学等领域。
关于碰撞的研究与之有联系的种类相当宽泛：原子间碰撞、Au+Au碰撞等。
由于碰撞效应能够为许多实际生产应用部门都会需要相关数据，促进各个领域的飞速发展，因此碰撞效应[1-2]的研究具有重要的研究价值四波混频是一种先进的光谱学技术，随着激光技术的不断发展使得四波混频技术的应用有的巨大的提高，比以往的技术相比拥有许多技术优势，因而四波混频技术是一种常用技术手段。
本文中我们就应用四波混频来研究多普勒系统中的碰撞效应。
1.1 碰撞效应近代物理学中无数科研工作着对微观领域的碰撞问题进行探索，发现碰撞的的特点之一就是粒子之间发生碰撞之后，辐射频率发生改变。
一个原子或者分子和其它物质产生碰撞时,能导致其固有辐射频率的改变,这个现象就叫做碰撞效应。
宇宙中的物质都是由原子分子构成的，碰撞效应的理论可以用来分析原子或分子内部的结构，为众多学科的研究和发展奠定了理论基础，提供了实验方法，具有非常重要的研究价值。
关于碰撞问题的研究包括对碰撞截面的研究，对谱线线性的研究，对谱线展宽的研究等等。
碰撞效应在物理化学甚至其它领域都具有广泛的应用，包括，天文学[3]、等离子体学[4-6]、原子物理学化学[7-9]、材料和气体电子学[10-14]等领域。
光磁共振实验中数据处理
光磁共振实验中数据处理陈静秋,周恒智(深圳大学物理学院,广东深圳 518060)摘 要:大学物理实验室中测量铷的朗德g 因数时,测得多个共振频率。
这些频率是在扫场和地磁场下作用的结果。
该文提出的数据处理方法可以消除地磁场和扫场的干扰,得到了很好的结果。
关键词:光抽运;光磁共振;朗德g 因数中图分类号:G642.423;O4233 文献标识码:B 文章编号:100224956(2008)0120044204Data pr ocessing in optical magnetic res onance ex perimentCHE N J ing 2qiu,Z HOU Heng 2zhi(Depart m ent of Physics,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China )Abstract:W hen measuring Land ég_fact or of rubidiu m (Rb )at om,many res onance frequencies are obtained.The results are effected by the magnetic field of earth and scan current .A reas onableness of method of data p r ocessing is described and a good result is achieved .Key words:op tical pu mp ing;op tical magnetic res onance;Land ég_fact or收稿日期:2007204219 修改日期:2007206229作者简介:陈静秋(1968—),男,湖北省黄冈市人,硕士,在读博士生,讲师,从事实验物理的教学和研究. 光磁共振是利用光抽运(Op tical Pu mp ing )效应研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
实验十九光磁共振讲义
实验十九 光磁共振一般的磁共振技术，无法进行气态样品的观测，因为气态样品浓度比固态或液态样品低几个数量级，共振信号非常微弱。
光泵磁共振是把光抽运，磁共振和光探测技术有机的结合起来，以研究汽态原子精细和超精细结构的一种实验技术。
光抽运（Optical Pumping ）又称光泵是二十世纪五十年代初由法国物理学家A.Kastler 等人提出的，由于他在光抽运技术上的杰出贡献而获1966年诺贝尔物理学奖。
光磁共振(光泵磁共振)是利用光抽运（Optical Pumping ）效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
研究的对象是碱金属原子铷（Rb ），天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb 占72．15％，87Rb 占27．85％。
光抽运就是用圆偏振光激发汽态原子，以打破原子在所研究能级间的热平衡的玻耳兹曼分布，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。
光磁共振采用光探测方法，即探测原子对光量子的吸收而不是采用一般磁共振的探测方法：即直接探测原子对射频量子的吸收。
因为光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高了探测灵敏度。
光泵磁共振进一步加深人们对原子磁矩、g 因子、能级结构、能级寿命、塞曼分裂、原子间相互作用等的认识，是研究原子结构的有力工具，而光抽运技术在激光、原子频标和弱磁场测量等方面也有重要应用。
【实验目的】1.了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术。
2.测量汽态铷原子85Rb 和87Rb 的F g 因子。
3.学习测量地磁场的方法。
【实验仪器】光磁共振实验仪、信号发生器、示波器、频率极和指南针等。
【实验原理】光泵磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程。
本实验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。
所研究的对象是铷（Rb ）的汽态自由原子。
1.铷（Rb ）原子能级的超精细结构和塞曼分裂铷（Rb ）是一价碱金属原子，原子序数为37，天然铷有两种同位素：铷85Rb （72.15%）和87Rb（27.85%）。
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氦铷中性碰撞对铷原子精细光谱影响的实验理论研究
碱金属原子在与稀有气体的中性碰撞过程中短暂的形成范德瓦耳斯分子,因此轻微的改变了碱金属原子的能级。
这一机制不但可以解释碱金属原子在各种环境气体中的光谱变化,而且在天体光谱学、大功率碱金属激光、极化稀有气体等诸多涉及碱金属光泵浦过程的领域都有非常重要的应用,因而成为近年来理论及实验研究的热点。
理论上对于处于稀有气体环境中的碱金属光谱变化并不完善,具体表现在全量子理论无法正确描述谱线的压力展宽与频移随环境气体温度的变化,而半经典理论尽管与实验观测更为接近但仍不完备。
实验上尽管已存在多种碱金属与稀有气体组合在各种温度及压力范围下的光谱观测,但限于对光谱数据分析方法的差异及对高低温度极限区光谱观测的缺失,使得实验结果间也存在明显的差异。
本文针对上述理论及实验研究中的不足,首先使用窄线宽连续激光器,通过锁相放大系统,在低温区高精度地测量了He气环境下铷原子D1和D2线压力展宽吸收光谱。
在考虑铷原子能级的超精细结构以及超精细跃迁相对强度的情况下对实验数据进行了分析,获得了压力展宽参数及频移参数。
随后在Baranger理论的基础上,使用新的理论计算方法对压力展宽和频移参数进行了理论计算,通过变相法计算了跃迁过程每个轨道角动量所对应的散射相移,最终计算出了温度范围在100-800 K之间的压力展宽和频移参数,并与使用其它理论模型的计算结果进行了对比,证明了新的计算方法对于原有全量子理论的改进是合理的。
与原有的全量子理论相比,新的方法计算过程更为简洁,避免了原有理论对于碰撞系统热运动速率分布的依赖性。
此外新的方法在绝大部分的温度范围内与实验及半经典理论结果吻合,但在低温极限下与半经典理论结果出现显著差异,预示着在低温极限下可能存在实验上尚无法观测的量子效应。
与此同时,为了进一步提高实验观测的精度,本文自行搭建了FP干涉仪,进而使用饱和吸收光谱技术消除了谱线中的多普勒展宽效应,测量了<sup>87</sup>Rb和<sup>85</sup>Rb同位素的超精细能级劈裂,并计算了其激发态的超精细相互作用常数。
为下一步更高精度的实验工作奠定了坚实的基础。