光泵磁共振实验报告
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+=。
光泵磁共振实验报告结论
一、实验概述光泵磁共振实验是一种重要的物理实验，通过观察原子在特定磁场和光场作用下的能级跃迁，研究原子能级结构、磁共振现象以及光抽运效应等。
本次实验采用DH807型光泵磁共振实验装置，通过观察铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号，加深对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，并测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
二、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原理和实验方法，提高实验技能。
三、实验原理光泵磁共振实验基于以下原理：1. 光抽运效应：当原子处于激发态时，吸收特定频率的光子，原子会跃迁到更高能级。
通过调节光场强度，可以使原子处于高能级状态的粒子数增加。
2. 磁共振：当原子处于特定磁场中，能级发生塞曼分裂。
通过调节磁场强度，可以使原子能级发生跃迁，产生磁共振现象。
3. 光泵磁共振：光泵磁共振实验中，利用光抽运效应和磁共振原理，观察原子能级跃迁和磁共振信号。
四、实验结果与分析1. 光抽运信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的光抽运信号。
通过调节光场强度和频率，可以观察到不同能级跃迁的光抽运信号。
这表明光抽运效应在实验中得到了充分体现。
2. 磁共振信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的磁共振信号。
通过调节磁场强度，可以观察到不同能级跃迁的磁共振信号。
这表明磁共振现象在实验中得到了充分体现。
3. 塞曼子能级朗德因子测定根据实验数据，我们计算了铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
实验结果显示，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合。
五、实验结论1. 通过本次实验，我们成功地观察到了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，验证了光泵磁共振实验的原理。
2. 实验结果表明，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合，表明实验具有较高的准确性。
3. 通过本次实验，我们加深了对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，提高了实验技能。
光泵磁共振_3
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：实验B4 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铷（Z =37）是一价金属元素，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，因而它们的基态都是52S 1/2。
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J μ为 2J JJ eeg P m μ=- （B4-1） 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，则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） 式中图B4-1 Rb 原子精细结构的形成)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，F M ＝－F ，－F ＋１，…F －１，F ，共有2F ＋1个值。
可以看到，原子在磁场中的附加能量E 随F M 变化，原来对F M 简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个F 能级分裂成2F ＋1个子能级，相邻的子能级的能量差为B g E B F μ=∆ （B4-7） 再来看一下具体的分裂情况。
光泵磁共振
光泵磁共振实验报告姓名：学号：专业：光电子一、实验背景光磁共振是光抽运和射频磁共振相结合的一种双共振过程，是用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。
双共振技术是由诺贝尔物理学奖获得者A.Kastlor于20世纪50年代提出的。
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。
二、实验目的1通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识；2掌握光磁共振的实验技术；3测定铷原子的g因子和测定地磁场。
三、实验原理1铷原子的能级分裂1.1精细结构的形成铷（Rb）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂铷原子基态与最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为 ；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为 ，如右图所示，形成两条谱线。
1.2原子超精细结构的形成核的自旋量子数表示为 ，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为：核的自旋角动量表示为，得原子总角动量：其中F 用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。
由核角动量作用（P I 与P J 耦合），而产生的由F 标志的分裂叫做铷原子光谱的超精细结构。
1.3塞曼子能级的形成原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。
这些能级用磁量子数来表示， ，能级间距相同。
和 相互作用能表示如下：相邻能级间距为： 其中 为玻尔磁子。
右图为塞曼能级形成示意图2/122/325,5P P 2/125S 5P5S21/25S 21/25P 23/25P 1D 2D 794.76nm780.0nmFig.1 铷原子精细结构的形成2/5%),15.72(2/3%),85.27(8587==I RbI Rb I JI F P P P +=I PFig.2 铷原子超精细结构的形成23/25P 21/25P 21/25S 2F =1F =1F =2F =……)(,...,1,F F F m F --=F u Bm g Bu E B F F F μ=⋅-=BBg EB F μ=∆B μFig.3 铷原子塞曼子能级的形成23/25P 21/25P 21/25S 1F =2F =……2F =1F =FM +2+10-1-2-10+1+2+10-1-2-10+12光抽运效应光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。
光泵磁共振实验
光泵磁共振一.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，…，IL—SI。
铷的基态，轨道量子数1=0，自旋量子数S=1/2,只有J=1/2一个态52s l/2。
铷原子的最低激发态，轨道量子数1=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P l/2态J=1/2。
已知核自旋1=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量耳与原子总磁矩匕的关系为：咛-g J eP J/(2m e)(13-1)J(J+1)—L(L+1)+S(S+1)g J=1+(13-2)2J(J+1)但铷原子的核自旋I W0。
所以核自旋角动量P I与电子总角动量耳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、1=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P F之间的关系(见本实验附录)为：口F=-g F e P F/22m e)F(F+1)+J(J+1)—I(I+1)g F=g J(13-3)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。
光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验数据处理与分析实验记录数据如下表：频率 （kHz ）同向电流I 同（A ）反向电流I 反（A ）87Rb85Rb测量g F测量地磁场H87Rb 85Rb 87Rb85Rb700 0.232 0.337 0.2055 0.3125 0.358 0.4655 800 0.2595 0.3835 0.2355 0.3585 0.3885 0.5095 900 0.28950.42650.26550.4030.41750.5541 计算测量g F因子我们采取的是扫场法，因此，共振频率不变，0H 有同向反向之分。
由公式B B H +H +H g H -H -H g FFhv hv μμ== 同扫地反扫地（）（）两式相加得：B2g =(H +H )F hvμ同反其中73/216H 10()5N I T r π-=⨯N=250 r=0.2399m 346.62610 J S h -=⨯241B 9.273110J T μ--=⨯∙ 可得44.682810()H I T -=⨯，则6g =0.305210(+I )F vI -⨯同反将实验数据表格中的数据代入即可得下表：频率 （kHz ）g F87Rb85Rb700 0.4883 0.3289 800 0.4933 0.3291 9000.4949 0.3311 g F平均值0.49220.3297查阅资料，87Rb 的g F 值为1/2，而85Rb 的gF 值为1/3,对比我们的测量结果，结果十分接近，可见此次测量精确度很高。
2、 测量地磁场 测量地磁场时，有公式B H +H +H g Fhv μ= 同扫地（），B H +H -H g Fhv μ= 反扫地（）两式相减，得H -H H =2 同反地，即-4I -I H =4.682810T 2⨯ 同反地（）（）代入实验表格中的数据，即可得出下表：频率（kHz ）H地（T ）87Rb85Rb700 2.9502e-005 3.0087e-005 800 3.0204e-005 2.9502e-005 9002.9970e-005 2.9853e-005 H地（T)平均值2.9892e-0052.9814e-005。
实验29 光泵磁共振
实验29 光泵磁共振光泵磁共振是利用光抽运技术来研究原子超精细结构的塞曼子能级间磁共振现象的光磁双共振技术，在五十年代初由A.Kastler 等人提出。
虽然气体原子的塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，但由于运用了光探测技术，光泵磁共振既保存了磁共振信号高分辨率的特点，又提高了探测信号的灵敏度，灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。
因而，在研究原子、分子内部微观结构及弱磁场精密测量等方面具有广泛的应用。
一、 实验目的1.了解光泵磁共振的基本知识，熟悉光抽运-磁共振-光检测的实验方法。
2.测量87Rb 和85Rb 的g F 因子。
二、 实验原理1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂本实验的研究对象是铷(Rb)气态自由原子，天然Rb 由72.15%的85Rb 和27.85%的87Rb 组成。
Rb 原子是一价碱金属原子，原子序数是37，价电子处于第5壳层，主量子数n=5，L=0，1，…，n-1，基态L=0，最低激发态L=1。
由电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S 耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。
对于Rb 原子，基态为52S 1/2，最低激发态是52P 1/2，52P 3/2，5P 与5S 能级之间产生的跃迁是原子主线系的第一条线，对应的两条谱线是7948Å（D 1线）和7800Å（D 2线）。
考虑到原子核有自旋和磁矩，核磁矩与电子总磁矩之间相互作用将造成能级的附加分裂，这种附加分裂称为超精细结构。
87Rb 和85Rb 的核自旋量子数I 分别为3/2和5/2。
核自旋角动量P I 与电子总自旋角动量P J 相互耦合，这种耦合称为I-J 耦合，形成总角动量P F ，P F =P I +P J 。
I-J 耦合形成超精细结构能级，用总量子数F 标记，F=I+J ，…，∣I-J ∣。
对于87Rb ，对应I=3/2，基态J=1/2，F=1，2；对于85Rb ，对应I=5/2，基态J=1/2，F=2，3。
3光泵磁共振实验
光泵磁共振实验物理学中研究物质内部结构，最初是利用光谱学的方法，推动了原子和分子物理学的进展。
如果要研究原子、分子等微观粒子内部更精细的结构和变化，光谱学的方法受到仪器分辨率和谱线线宽的限制。
在此情况下发展的波谱学方法利用物质的微波或射频共振研究原子的精细、超精细结构以及因磁场存在而分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学方法有更高的分辨率。
但是，热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，加以磁偶极跃迁几率也较小，因此核磁共振波谱方法也有如何提高信息强度的问题。
对于固态和液态物质的波谱学，如核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)，由于样品浓度大，再配合高灵敏度的电子探测技术，能够得到足够强的共振信号。
但对气态的自由原子，样品的浓度降低了几个数量级，就得另外想新办法来提高共振信号强度。
A ．Kastler 等人在20世纪50年代提出了光抽运(optical pumping ，又称光泵)技术，并在1966年荣获诺贝尔奖。
光抽运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。
在探测磁共振方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，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七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。
使用光抽运——磁共振——光探测技术对许多原子、离子和分子进行的大量研究，增进了我们对微观粒子结构的了解，推动了结构理论方面的研究。
此外，光抽运技术在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要的应用。
本实验的物理内容很丰富，实验过程中不仅掌握其方法，也会见到比较复杂的现象。
若能根据基本原理给出正确的分析，将受到一次很好的原子物理实验和综合实验的训练。
1 实验目的加深对原子超精细结构的理解，测定铷原子（Rb ）超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验报告摘要：本实验通过光泵磁共振技术，研究了自旋磁共振现象。
通过调整磁场和光频，成功实现了自旋磁共振的观测。
实验结果与理论预测相符，验证了光泵磁共振的可行性和准确性。
引言：光泵磁共振是一种通过光学激发来改变系统自旋状态的技术。
在磁场作用下，光泵磁共振可以实现对自旋的操控，具有广泛的应用前景。
本实验旨在通过光泵磁共振实验，研究自旋磁共振现象，验证该技术的可行性和准确性。
实验原理：自旋磁共振是指在外加磁场的作用下，通过光学激发使自旋从基态跃迁到激发态，并通过测量共振信号来研究自旋的行为。
实验中使用的样品是自旋1/2的粒子，如电子或核自旋。
在外加磁场的作用下，样品中的自旋会分裂成两个能级，分别为上能级和下能级。
当光的频率与能级间距相等时，自旋会发生共振现象，从而产生共振信号。
实验步骤：1. 准备实验所需的设备和材料，包括磁场装置、光源、样品等。
2. 调整磁场强度和方向，使其达到所需的数值。
3. 调整光源频率，使其与样品的能级间距相匹配。
4. 打开光源，照射样品，并测量共振信号。
5. 通过调节磁场和光源频率，观察共振信号的变化。
6. 记录实验数据，并进行数据分析。
实验结果与讨论：在实验中，我们成功观测到了自旋磁共振现象，并测得了共振信号的强度。
通过调节磁场和光源频率，我们观察到了共振信号的变化规律。
实验结果与理论预测相符，验证了光泵磁共振的可行性和准确性。
结论：通过光泵磁共振实验，我们成功研究了自旋磁共振现象，并验证了光泵磁共振技术的可行性。
该技术可以用于对自旋的操控和研究，具有重要的科学研究和应用价值。
未来可以进一步探究光泵磁共振的机理，优化实验条件，拓展应用领域。
光泵磁共振实验报告
1、前言和实验目的前言：光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细构造塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破，使用探测磁共振信号的光探测方法，大大提高了灵敏度。
这是在1950年，法国物理学家卡斯特勒(A.Kasslte 1902～1984)提出了光抽运方法。
光抽运过程是原子系统吸收某种特定的光而造成能级原子数的分布偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。
光泵磁共振是光抽运过程和射频磁共振相结合的一种双共振过程。
用射频电磁场作用使之发生磁共振，用光探测原子对入射光的吸收，从而获得光泵磁共振信号，此技术应用了光探测方法，既具有了磁共振高分辨率的优点，又将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。
卡斯特勒因此荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。
目前此方法，一方面可用于根底研究，例如原子、分子能级的精细和超精细构造及其它各种参数的精细测量，对原子、分子间各种相互作用进展实验研究，另一方面在量子频标，准确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，开展出两种精细仪器，原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。
本实验是以天然铷(Rb )为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。
实验目的：1．加深对超精细构造原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。
2．掌握以光抽运为根底的光检测磁共振方法。
3．测定铷(Rb )原子超精细构造塞曼子能级的朗德因子F g 和地磁场强度E B 。
2、实验原理天然铷含量较大的有两种同位素：Rb 85占72.15%,Rb 87占27.85%。
铷原子的基态为125S ，最低激发态为2125P 及2325P 双重态，所以从5P 到5S 的跃迁就能观察到精细构造。
同时，我们又知道原子核也存在自旋，因此也就存在核磁矩与电子自旋及轨道磁矩的相互作用，是能级进一步分裂，也就产生了超精细构造。
设核量子数为I ，那么耦合后的总量子数为F=I+J,…,|I-J|。
又Rb 87的I=3/2，Rb 85的I=5/2，所以Rb 87的基态F 有两个值F=2及F=1；Rb 85的基态F 有两个值F=3及F=2。
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。
光泵磁共振实验报告
嘉应学院物理学院近代物理实验实验报告实验项目：光泵磁共振实验地点：班级：姓名：座号：实验时间：年月日一、实验目的：1. 了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂2. 了解光抽运现象的原理和应用3. 学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振二、实验仪器和用具：TDS2002示波器，光磁共振实验装置，DH807型光磁共振实验装置电源及辅助源，YB1631功率函数信号发生器。
三、实验原理：本实验的研究对象为铷原子。
天然铷原子有两种同位素：85Rb（72.15%）和87Rb（27.85%）。
选用天然铷作样品，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。
铷是一价碱金属原子，其基态为5 2S 1/2；最低激发态为5 2P 1/2和5 2P 3/2双重态，是电子的轨道角动量与自旋角动量耦合而产生的精细结构。
由于是LS 耦合，电子总角动量的量子数J = L+S ，L ＋S －1，…，S L -。
对于铷原子的基态， L = 0，S = 1/2，故J = 1/2；其最低激发态，L = 1， S = 1/2，故J = 1/2和3/2，这就是双重态的由来。
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。
87 Rb 的I = 3/2，85 Rb 的I = 5/2。
核自旋角动量与电子总动量耦合，得到原子的总角动量。
由于I J 耦合，原子的总角动量的量子数F = I ＋J ，I ＋J －1，…，J I -。
故87 Rb 基态的F = 1和2；85 Rb 的基态的F = 2和3。
这些由F 量子数标定的能级称为超精细结构。
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B 0 相互作用的能量为 E = － μF ·B 0 = g F m F μB B 0 (-1) 这正是超精细塞曼子能级的能量。
光泵磁共振实验
实验名称：光泵磁共振 实验目的1、观察光抽运、磁共振信号,加深对原子超精细结构、光跃迁、磁共振的理解；2、掌握光泵磁的原理及实验方法；3、利用光泵磁共振测量Rb 87、Rb 85超精细结构F g 因子及地磁场水平分量地B。
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）的气态自由原子。
1、铷原子基态及最低激发态能级铷（Z=37）是一价碱金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种，Rb 85占72。
15%，Rb 87占27。
85%。
其原子基态都是2/125S ，即价电子的主量子数n=5,轨道量子数L=0,自旋量子数S=1/2。
由于是LS耦合，J=L+S，…,L-S，所以铷的基态J=1/2。
铷原子的最低光激发态是2/125P 及2/325P 双重态，他们是由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。
2/125P 态J=1/2；2/325P 态J=3/2。
在5P与5S能级之间产生的跃迁是铷原子光谱主线系的第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特别大。
2/125P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为1D 线，波长是7948A ；2/325P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为D2线，波长是7800A 。
原子总磁矩F 与外磁场B 相互作用能量为B M g B h M m e g B P m e g B E B F F F F F FF 222 （2）式中124102741.94T J m ehB 。
称为玻尔磁子。
相邻塞曼子能级之间（1 F M ）的能量差为Bg E B F M F （3）由此式可以看出塞曼子能级间距与B 成正比。
2、光泵的物理过程热平衡状态下，粒子服从玻尔兹曼分布)exp(12KT EN N12E E E ，当C T 50 时，2/125P 与2/125S 相比较，KT E ，所以21N N ，即铷原子基本处在基态2/125S 上。
光泵磁共振实验报告
再慢慢调小电流直至在三角波的一个周期刚好出现两个共振信号，此时记录下电流为 I1。接
着重复述操作步骤，也分别记录下 87Rb 的两个电流。 分析：由实验过程可知 B共振 可以通过下面的计算得到：
1.当扫场为正，水平场为正时，总磁场、地磁场、水平场关系如图 4 所示：
实验研究的对象是 Rb 原子，其最外层有一个价电子，位于 5s 能级上，因此其电子轨道 角 动 量 量 子 数 L=0, 电 子 自 旋 轨 道 角 动 量 量 子 数 s=1/2. 其 总 角 动 量 量 子 数
J L S, L S 1, L s 。所以 Rb 原子的基态只有 J 1/ 2 ，标记为 52 S1/ 2 。5P 与基 态 5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁 产生的谱线为 D1 线，波长是 794.8nm；52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁产生的谱线为 D2 线，波长是
现象：之前调光抽运信号时，我们已将扫场幅度调到一个最佳状态，所以观察磁共振信 号时扫场幅度保持不变，只要调节水平场的电流大小。对于扫场与水平场正或负的不同组合 下，测量电流与观察共振信号时的步骤大致相同。首先将水平电流调到一个比较大的值使共 振信号消失，即在示波器上表现为一条亮线，然后慢慢的调小水平方向的电流，直至在三角
(5)
在热平衡条件下，各能级的粒子数遵守玻尔兹曼分布，而超精细结构的塞曼子分裂能级 相差很小，导致各子能级上的粒子数基本上可认为是相等的，因此我们采用光抽运的方法， 使粒子数聚集分布在某一能级从而实现偏极化。
87 Rb 的 52 S1/ 2 态及 52 P1/ 2 态的磁量子数 mF 最大值都是+2，当入射光是 D1的 光 时， 由于只能产生Δ mF =+1 的跃迁，基态 mF ＝+2 子能级的粒子不能跃迁，如图 1 示：
光磁共振实验 实验报告
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。
光泵磁共振-物理试验
实验 4.5 光泵磁共振20世纪50年代初期，法国科学家卡斯特莱（A.Kastler）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，使得在低浓度下有较高的共振强度。
这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。
这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。
1966年, A.Kastler由于发现和发展了研究原子中核磁共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔物理奖。
一、实验目的1.加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解；2.掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法；3.测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
二、仪器与用具光泵磁共振实验装置、射频信号发生器、示波器、频率计等三、实验原理1．铷（Rb）原子基态及最低激发态的能级铷是一价的碱金属，它的价电子处于第5壳层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2。
由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂，形成原子的精细结构(如图1)。
电子总角动量的量子数J=L+S，L+S-1，…，|L-S|。
对于铷原子的基态，L=0，S=1/2，故J=1/2；其最低激发态，L=1，S=1/2，故J=1/2和2/3。
在5P与5S 能级之间产生的跃迁是铷原子光谱主线系第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特变大。
52P1/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D1线，波长是7947A；52P3/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D2线，波长是7800A。
互作用造成能级的附加分裂，称为超精细结构(如图2)。
铷元素在自然界主要有两种同位素Rb 87和Rb 85。
两种同位素Rb 87和Rb 85核的自旋量子数I 是不同的。
核自旋角动量P I 与电子总角动量P J 耦合成P F （P F =P I +P J ），耦合后的总量子数F=I+J ，…，︱I -J ︱, Rb 87的I = 3/2，Rb 85的I = 5/2，故Rb 87基态的F=1和2； Rb 85的基态的F=2和3。
光泵磁共振实验报告
6-2 光泵磁共振实验报告by 物理学院 00904149 刘纩实验时间：2012-3-15实验仪器：TDS2002示波器，光磁共振实验装置，DH807型光磁共振实验装置电源及辅助源，YB1631功率函数信号发生器。
实验目的：1.了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂2.了解光抽运现象的原理和应用3.学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振实验原理：铷是一价碱金属，其原子基态是5S1/2，即轨道角动量量子数L=0，自旋S=1/2，轨道角动量与自旋耦合后的电子总角动量为J=1/2。
其最低激发态是5P1/2 和5P3/2 双重态，是由LS耦合产生的，J分别为1/2与3/2。
在5P和5S之间的跃迁为铷原子的第一条线，是双线，前者到5S1/2为D1，后者到5S1/2为D2。
再考虑到电子总角动量（量子数为J）与原子核自旋（量子数为I）的耦合作用之后，原子总角动85的基态有F=3及F=2，量的量子数F=I+J，I+J-1，…，I−J。
故而Rb87的基态有F=2及F=1。
由F量子数表征的能级称之为超精细结构Rb能级。
原子总角动量P F与总磁矩μF之间的关系为：P FμF=-g F e2mg F=g J F F+1+J J+1−I(I+1)2F(F+1)其中 g J =1+J J+1 −L L+1 +S(S+1)2J(J+1)在磁场B 0中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数m F =F,F-1,…,-F. 即分裂成2F+1个能量间隔基本相等的塞曼子能级。
相邻塞曼子能级之间（∆m F =±1）的能量差为：∆E m F =g F μB B 0在实验中，我们用频率为ν的光来对原子进行激发时，满足h ν=∆E 时即发生光吸收，且原子跃迁满足选择定则:∆L=±1; ∆F=±1,0; ∆m F = +1 （入射光为σ+）0 （入射光为π）−1 （入射光为σ−）所以，当入射光为左旋圆偏振时，原子只能发生磁量子数改变为+1的跃迁，当使用D 1σ+时，则基态处于m F =+2的粒子跃迁概率为零，而由激发态退激发回基态的粒子返回基态各子能级的概率是相等的，这样经过若干次循环之后，基态m F =+2的子能级上的粒子数就会大大增加，相当于大量粒子被抽运上去，此即为光抽运效应。
光泵磁共振预习报告
实验课程名称近代物理实验 实验项目名称光泵磁共振 内容包含：实验目的、实验原理简述、实验中注意事项、实验预习中的问题探讨一、实验目的:1、掌握核磁共振的原理与基本结构；2、学会核磁共振谱图的操作方法与谱图分析；3、了解核磁共振在实验中的具体应用。
二、实验原理简述： 核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。
根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H 、11B 、13C 、17O 、19F 、31P由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。
将原子核置于外加 磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。
进动具有能量也具有一定的频率。
原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。
原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。
当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。
这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。
为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。
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图 3 （上）光抽运信号 （下）扫场波形
c.保持垂直场的大小和偏振片的位置不变,扫场方式改为“三角波”，打开频率计，设置 射频频率为 650KHz，在 0—1A 的电流范围内调节水平方向的电流，然后观察共振信号，特 别注意在三角波谷和波峰处的共振信号，然后对水平场和扫场信号与地磁场水平方向的不同 组合情况下测量四个共振信号所对应的水平场电流值，根据这些数值就可以算出铷原子的
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或塞曼子能级间粒
子数的非热平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术实际上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，它是 1955 年法国科学家卡斯特勒（A.Kastler）发明的。在 光泵磁共振技术中，一方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布，使更多的粒子参与磁共振； 另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探 测灵敏度提高了七八个数量级。如今，光泵磁共振已广泛应用于基础物理研究，比如原子的 磁矩、能级结构和 g 因子测量。此外，在原子频标、激光及弱磁场测量等方面，这一方法也 是极为有利的实验手段。 本实验研究铷原子的光泵磁共振现象，并测量铷原子的朗德 g 因子和地磁场强度。 二、 原理:
铷原子的光泵磁共振实验
学号
姓名：
实验日期：
指导老师：
【摘要】 在本实验中我们运用光泵磁共振技术，研究了铷原子的光抽运信号和磁共振信
号，最终测量得 87Rb 的朗德 g F 因子为 0.4981， 85Rb 的朗德 g F 因子为 0.3348，以及地磁
场的大小为 0.4245GS.
关键词：光抽运、磁共振、超精细结构、塞曼子能级、朗德 g F 因子
去 D2 线。用高碘硫酸奎宁偏振片和 40μm 左右的云母 1／4 波片可产生左旋圆偏振光 。
透镜 L1 可将光源发出的光变为平行光，其焦距常采用 f＝5～8cm 的凸透镜。透镜 L2 将透过 样品泡的平行光会聚到光电接受器上。
3.实验方法： a.将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关。然后接通电源 线，按下电源开关。约 30 分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。 b.扫场方式先选择“方波”，适当调大扫场幅度。设置扫场方向与地磁场水平分量方向 相反,预置垂直场电流为 0.０７Ａ,方向与地磁场垂直方向相反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（综合调节），使光抽运信号（如图 3）幅度最大。再仔细 调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。这样，我们就可以使出射的为圆偏振光，使垂直方 向的磁场刚好抵消地磁场。
780.0nm。 在核自旋 I=0 时，原子的价电子经 L-S 耦合后总角动量和原子的总磁矩的关系为
J
Байду номын сангаас
g J
e 2me
PJ
(1)
gJ
1 J(J
1) L(l 1) S(S 1) 2J(J 1)
(2)
当 I 不为零时，核磁矩与电子自旋及轨道磁矩相互作用，使能级进一步分裂，产生了超
精细结构。则耦合后的总量子数为 F I J , ,I J ， 87Rb 的 I 3/ 2 ，它的基 态 J 1/ 2 ，具有 F 1和 F 2两个状态。 85Rb 的 I 5/ 2 ，它的基态 J 1/ 2 ，具有 F 3和 F 2 两个状态。整个原子的总角动量 PF 与总磁矩 F 之间的关系可写为 ：
持原子分布的偏极化，我们要抑制弛豫过程。
三、 实验： 1.实验装置如图 2 示：
图 2 光泵磁共振装置
2．实验装置作用： 光源采用高频无极放电 Rb 灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于 D2 线的存在 不利于 D1 线的光抽运，故用透过率大于 60％，带宽小于 15nm 的干涉滤光片就能很好地滤
F =-gF
e 2me
PF
(3)
gF
gJ
F(F
1) J(J 1) I(I 2F(F 1)
1)
(4)
在外加磁场作用下，超精细能级进一步分裂，形成塞曼子分裂。磁量子数
M F F, F 1,,F ，即分裂成 2F+1 个能量间距基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子
能级间的能量差为：
E gF B B0
越多，这就是光抽运。
这时其它能级上的粒子数已大大减小，若加一个使电子从 mF ＝+2 向 mF =+1 跃迁的频 射场，就产生了感应跃迁。这样，由于产生磁共振，对 D1的 光 的吸收增大，故可以通 过对 D1的 光 的吸收强度的变化判断是否产生了磁共振，而光的能量远大于射频场的能
量，这样就提高了实验的精度，可以使信号功率提高 7-8 个数量级。 另外，从非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程叫弛豫过程,在实验中为了保
图 1 （a） 87Rb 基态粒子吸收 D1s+光子跃迁到激发态的过程； （b）87Rb 激发态粒子通过自发辐射返回基态各子能级。
由图知该圆偏振光能把除 mF ＝+2 以外的各子能级上的原子激发到 52 P1/ 2 的相应子能 级上，而向下辐射跃迁的概率相等，这样经过若干循环后 mF ＝+2 子能级上的粒子数就越来
(5)
在热平衡条件下，各能级的粒子数遵守玻尔兹曼分布，而超精细结构的塞曼子分裂能级 相差很小，导致各子能级上的粒子数基本上可认为是相等的，因此我们采用光抽运的方法， 使粒子数聚集分布在某一能级从而实现偏极化。
87 Rb 的 52 S1/ 2 态及 52 P1/ 2 态的磁量子数 mF 最大值都是+2，当入射光是 D1的 光 时， 由于只能产生Δ mF =+1 的跃迁，基态 mF ＝+2 子能级的粒子不能跃迁，如图 1 示：
实验研究的对象是 Rb 原子，其最外层有一个价电子，位于 5s 能级上，因此其电子轨道 角 动 量 量 子 数 L=0, 电 子 自 旋 轨 道 角 动 量 量 子 数 s=1/2. 其 总 角 动 量 量 子 数
J L S, L S 1, L s 。所以 Rb 原子的基态只有 J 1/ 2 ，标记为 52 S1/ 2 。5P 与基 态 5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁 产生的谱线为 D1 线，波长是 794.8nm；52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁产生的谱线为 D2 线，波长是