光磁共振实验讲义
光磁共振
实验9.3 光磁共振实验引言为了研究物质内部不同层次的结构和性质，利用电磁波与物质的相互作用作为研究手段，最早使用的是光谱学方法，取得有关原子、分子结构的大量数据，促进了原子、分子物理学的发展，但由于仪器分辨率和谱线线宽的限制，对原子、分子等微观粒子内部更加细致的结构和性质得不到满意的结果，后来发展了波谱学的方法，直接观测在外磁场中原子精细结构能级、超精细结构能级和塞曼子能级间的微波或射频共振（通常称为磁共振）。
分辨率提高了，但是跟微波或射频共振相联系的能级间的能量差很小，由玻尔兹曼分布所造成的粒子在能级上的布居数之差也很小，而且磁偶极跃迁几率比电偶极跃迁几率小几个数量级，磁共振信号很弱，难于探测，迫切需要提高共振信号的强度。
凝聚态物质的波谱学如核磁共振、电子顺磁共振，实验样品浓度较大，加上高灵敏度的电子技术探测方法，可以获得很好的共振信号，在很多领域得到应用。
然而对于研究自由原子的气态波谱学来说，由于样品浓度低几个数量级，共振信号极弱，必须设法提高共振信号强度，才能进行实验观测。
实验目的1.掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。
2.测定铷原子Rb 87和Rb 85的参数：基态朗德因子g F 和原子核的自选量子数I 。
3.测定地磁场B 地和垂直分量B 地垂直、水平分量B 地水平及其倾角θ。
实验原理光磁共振是根据角动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。
特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。
这里就光磁共振技术对气态铷原子样品探测的实验原理逐一进行介绍。
1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第5壳层，主量子数n =5，电子轨道量子数L =0，1，···，n −1=4，电子自旋S =12。
铷原子中价电子的轨道角动量P L 和自旋角动量P S 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量P J ，其数值P J = J J +1 ħ，J =L +S ，L +S −1，···，|L −S|。
光磁共振实验(revise)
h 3 g F B ( BDC BS B e⁄⁄)
(6)
4/7
光磁共振实验
图 6 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像
由（2）式加（6）式得：
Be⁄⁄= 三、实验仪器
h( 1 3 ) 2g F B
（7）
本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成。见图 2：
光磁共振实验
一、实验目的 1．了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象; 2． 测量铷（Rb）原子的 g F 因子（和地磁场）. 二、实验原理 1． 光磁共振的概念 光磁共振，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, 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。 2． 光抽运效应 处于磁场环境中的铷原子对 D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则： L 1， F 1,0 ， M F 1 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图 1 所 示 5S 能级中的 8 条子能级除了 MF=+2 的子能级 外， 都可以吸收 D1σ+光而跃迁到 5P 的有关子能级， MF=+2 的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也没 有条件往低能级跃迁，所以这些原子数是不变的； 另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途 径很快又跃迁回 5S 低能级，发出自然光，跃迁选 择定则是： ， 相应的跃迁见图 1 的右半部分。 ， 退激跃迁中有一部分的状态变成了 5S 能级中的 MF=+2 的状态（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 图 1 87Rb 原子对 D1σ+光的吸收和自发辐射跃迁 可以再吸收光重新跃迁到 5P 能级） 。这样经过若干 循环之后， 5S 态中 M F 2 子能级上的粒子数就会越积越多（而其余７个子能级上的原子数越来越少） ， 即大量粒子被“抽运”到基态的 MF=+2 的子能级上，这就是光抽运效应。 各子能级上粒子数的这种不均匀分布叫做“偏极化” ，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就 可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。 3． 光磁共振跃迁 持续的光抽运，样品对 D1σ+光的吸收越来越弱，透过样品的光强度逐渐增加，当 M F 2 子能级上的 粒子数达到饱和，透过样品的光强达到最大值。 在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场 B 和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整 射频频率 ，使之满足 h g F B B （1） 这时将出现“射频受激辐射” ，在射频场的扰动下，处于 MF=+2 子能级上的原子会放出一个频率为 ν、 方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到 MF=+1 的子能级，MF=+2 上的原子数就会减少；同样， MF=+1 子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到 MF=0 的子能级上„如此下去，5S 态的上面 5 个子 能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到 5P 态的原子在退激过程中 可以跃迁到 5S 态的最下面的 3 个子能级上，所以，用不了多久，5S 态的 8 个子能级上全有了原子。由于此 时 MF=+2 子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转” 。 通过以上的分析得到了如下的结论： 处于静磁场中的铷原子对偏振光 D1σ+的吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当没有射频信号时， 铷原子对 D1σ+光的吸收很快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（ 1）
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光磁共振1. 实验目的1.1. 掌握光抽运、磁共振、光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能 级间的磁共振。
1.2. 测定铷同位素Rb 87和Rb 85的ｇF 因子，测定地磁场。
2. 实验仪器实验仪器包括：光（泵）磁共振实验仪、射频信号发生器、数字频率计、二通道型数字存储示波器、直流数字电压表等。
其中，光（泵）磁共振实验仪由主体单元和辅助源两部分组成。
主体单元是实验的核心部分，基本结构如图6-1所示。
图6-1 光（泵）磁共振实验仪主题单元示意图3. 实验原理3.1. 铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子、天然铷中含有两种同位素： Rb 87和Rb 85。
根据LS 耦合产生精细结构，它们的基态是52S 1/2，最低激发态是52P 1/2和52P 3/2的双重态。
对Rb 87,52P 1/2--52S 1/2跃迁为D 1线(7948Åλ=)，52P 3/2-52S 1/2为D 2线(7200Åλ=)。
铷原子具有核自旋I ，相应的核自旋角动量为PI ，核磁矩为μI 。
在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即PI 和PJ 耦合成总角动量PF ，F 为总量子数：F=I ＋J ．…，|I-J|。
对Rb87，I=3/2，因此Rb87的基态有两个值：F=2和F=1。
对Rb85，I=5/2，因此85Rb 的基态有F ＝3和F ＝2。
由量子数F 标定的能级称为超精细结构能级。
原子总角动量F P 与总磁矩F μ之间的关系2F FF eg P mcμ=- (6-1) 其中()()()()F F 1J J 1I I 1g =g 2F F 1F J+++-++ (6-2)当非磁性物质铷原子处于弱的外磁场B 中时，铷原子获得附加的能量F m F F F B E m g B μ=-⋅=μB (6-3)其中B μ为玻尔磁子，F m 为磁量子数，共有21F +个数值,1,...,F m F F F =--因此，对应于总量子数F 的超精细结构能级分裂成21F +个塞曼子能级。
【中国科大】光泵磁共振实验讲义
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。
光磁共振
一、实验目的1、熟悉光磁共振原理及仪器使用；2、观察光抽运现象，测量朗德因子值；3、培养实验报告规范与处理能力，作图作表与数据处理能力；4、基本实验的测试能力。
二、实验原理1、铷原子基态和最低激发态能级．本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素； 85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又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9．4．1所示．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．87Rb的I＝3 ⁄ 2，85Rb的I＝5 ⁄ 2．核自旋角动量与电子总角动量耦合，得到原子的总角动量.由于I J耦合，原子总角动量的量子数F＝I＋J，I＋J－1，……，|I－J|．故87Rb基态的F＝1和2；85Rb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．设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为E＝－μF·B0＝gF mF μF B0 （9.4.1）这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T －1 ，朗德因子gF= gF [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ⁄ 2F（F＋1）（9.4.2）其中gJ= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ⁄ 2J（J＋1）（9.4.3）上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（9.4.1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差ΔE＝gF μB B0 ，（9.4.4）式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．2．光抽运效应．在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(9．0.12)表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．现在以铷灯作光源．由图9.4.1可见，铷原子由5 2P1⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D1线，波长为0．7948μm；由5 2P3⁄2→5 2S1⁄2的跃迁产生D2线，波长为o．7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ΔF＝0，±1 ΔmF＝±1 （9.4.5）所以，当入射光为D1σ﹢光，作用87Rb时，由于87Rb的5 2S1⁄2态和5 2P1⁄2态的磁量子数mF的最大值均为±2，而σ﹢光角动量为ħ只能引起ΔmF ＝＋1的跃迁，故D1σ﹢光只能把基态中除mF＝＋2以外各子能级上的原子激发到5 2P1⁄2的相应子能级上，如图9．4．2(a)所示．图9．4．2(b)表示跃迁到5 2P1⁄2上的原子经过大约10－8s后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态5 2S1⁄2各个子能级上．这样，经过多次循环之后，基态mF＝＋2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态mF＝＋2子能级上．这就是光抽运效应．同理，如果用D1σ－光照射，则大量粒子将被“抽运”到mF＝－2子能级上．但是，π光照射是不可能发生光抽运效应的．对于铷85Rb，若用D1σ＋光照射，粒子将会“抽运”到mF＝＋3子能级上．3．弛豫过程．光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度．但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上．由实验得知．样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为10－2s数量级．在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级．不过得注意的是，温度高低对铷原子系统的弛豫过程有很大的影响．温度升高则铷蒸气的原子密度增加，铷原子与容器壁之间以及铷原子相互之间的碰撞都增加，将导致铷原子能级分布的偏极化减少；而温度过低时铷蒸气的原子数目太少，则抽运信号的幅度必然很小．因此，实验时把样品泡的温度要控制在40～50℃之间．1．磁共振与光检测．式（9.4.4）给出了铷原子在弱磁场B0作用下相邻塞曼子能级的能量差．要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场B0的方向上施加一射频场B1作用于样品．当射频场的频率ν满足共振条件 h ν＝ΔE ＝ gF μB B0 ． (9．4．6)时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象．若作用在样品上的是D1σ＋光，对于87Rb来说．是由mF＝＋2跃迁到mF＝＋1子能级．接着也相继有mF＝＋1的原子跃迁到mF＝0，……．与此同时，光抽运又把基态中非mF＝＋2的原子抽运引mF＝＋2子能级上．因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡．发生磁共振时，处于基态mF＝＋2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数．也就是说，发生磁共振时．能级分布布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对D1σ＋光的吸收，如图9．４．3所示．三、实验仪器以及实验内容实验装置的方框图如图9．4．4所示，由光泵磁振实验装置的主体单元及其辅助设备（包括辅助源，射频信号发生器，频率计和示波器等）组成．1、观察光抽运信号。
南京大学近代物理实验-光磁共振
光磁共振实验摘要：本实验依据塞曼效应、光抽运效应、基态塞曼子能级间的光磁共振等原理，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。
关键词：光磁共振，光抽运，塞曼效应一、引言二、实验原理三、实验仪器四、实验步骤：五、数据处理及误差分析亥姆霍兹线圈轴中心处磁感应强度B 的计算公式为73216B 105NI T rπ-=∙⨯其中r 为线圈有效半径（m ），I 为线圈电流强度（A ）。
本实验中线圈的相关参数见下表1．地磁垂直分量测量实验测得垂直磁场与地磁场垂直分量完全抵消时，垂直线圈电流为0.062A ，代入磁感应强度计算式中，得地磁场垂直分量5B =1.8210T -⨯地垂直.2.铷原子基态朗德因子F g 和核自旋量子数I 测量水平线圈电流0.280A ，代入磁感应强度计算式中，对应的磁感应强度为4B =1.3110T -⨯水平（1）85Rb 原子： 实验测得1ν=979.4kHz 2ν=265.3kHz与B 水平对应的频率ν=622.35kHz由此可以算出85Rb 原子的F g =0.34I=2.45F g 的理论值为F g 理论=13，因此F g 的测量误差为F F F g F g -g =100%g ∆⨯理论理论=1.83%I 的理论值为I 理论=2.5，因此I 的测量误差为I I-I=100%I ∆⨯理论理论=2.16%（2）87Rb 原子：实验测得1ν=1460.6kHz2ν=392.8kHz与B 水平对应的频率ν=926.7kHz由此可以算出87Rb 原子的F g =0.51I=1.48F g 的理论值为F g 理论=0.5，因此F g 的测量误差为F F F g F g -g =100%g ∆⨯理论理论=1.08%I 的理论值为I 理论=1.5，因此I 的测量误差为I I-I=100%I ∆⨯理论理论=1.43%3.地磁场的水平分量B 地水平和倾角θ的测量水平线圈电流0.280A ，对应的磁感应强度为4B =1.3110T-⨯水平（1）85Rb ：3ν=485.9kHz与B 地水平对应的频率为ν=246.75kHz计算得5B =5.2910T -⨯地水平（2）87Rb ：3ν=725.9kHz与B 地水平对应的频率为ν=367.35kHz计算得5B =7.8710T -⨯地水平两者取平均值，得5B =6.5810T -⨯地水平前面已经测得5B =1.8210T -⨯地垂直所以B 地=56.8310T -⨯ 倾角为B tan =B θ地垂直地水平=0.277本实验误差的主要来源：1. 本实验测量过程中，实验室内还在进行塞曼效应的实验，其使用的强磁场对本实验中磁共振频率的测量产生了干扰；2. 示波器信号飘忽不定，使磁共振频率的测量存在读数误差；3. 遮光布遮光不充分，外界光透入对测量产生干扰。
光磁共振实验报告
光磁共振实验报告光磁共振实验报告引言：光磁共振是一种先进的科学技术，它利用光和磁场之间的相互作用，实现了对物质微观结构的研究。
本实验旨在探索光磁共振的原理和应用，通过实验数据的收集和分析，进一步了解光磁共振在材料科学和生物医学领域的潜在应用。
实验方法：本实验使用了一台先进的光磁共振仪器，结合光学和磁学的原理，对样品进行了测试。
首先，我们选择了一种具有特定光学性质的材料作为样品，然后将样品放置在仪器中心，通过调节仪器的磁场强度和频率，观察样品的光学响应。
在实验过程中，我们记录下了不同磁场强度和频率下的光学响应数据，并进行了分析。
实验结果：通过对实验数据的分析，我们发现样品在特定磁场强度和频率下，会出现明显的光学响应。
在这些条件下，样品的透射光谱会发生明显的变化，出现新的吸收峰或波谷。
这种现象表明样品的光学性质受到了磁场的调控。
进一步的实验结果显示，当磁场强度和频率达到一定值时，样品的光学响应会发生剧烈变化，出现明显的共振现象。
这种光磁共振现象是由于磁场和光场之间的相互作用导致的。
实验讨论：光磁共振的发现和研究对材料科学和生物医学领域具有重要意义。
首先，在材料科学领域，光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质。
通过调节磁场的强度和频率，可以实现对材料的精确控制和调控。
这对于开发新型材料和改良材料性能具有重要意义。
其次，在生物医学领域，光磁共振可以用来研究生物分子的结构和功能。
通过将生物分子与磁性纳米粒子结合，可以实现对生物分子的高灵敏度检测和精确控制，为生物医学研究和临床诊断提供了新的手段。
实验结论：本实验通过光磁共振仪器的使用，成功地观察到了样品的光学响应和光磁共振现象。
实验结果表明，光磁共振是一种重要的科学技术，具有广泛的应用前景。
光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质，为材料科学的发展提供新的思路和方法。
同时，光磁共振还可以用来研究生物分子的结构和功能，为生物医学研究和临床诊断提供新的手段和工具。
光磁共振实验讲义
3．观察光磁共振信号
（1）测量朗德 因子
扫场采用三角波，方向置于与地磁场水平分量相同德方位上，并使水平磁场调到某一个确定值。由磁共振条件得到：
调节射频频率 产生磁共振， 由示波器确定或由频率计给出。从上式中可以看出，如知H便可求出 ，H是使原子塞曼分裂的总磁场（包括水平场，地磁水平分量，扫场直流分量）。实验中，可以这样考虑，先确定 （ 与 对应），再拨动水平开关，使其水平磁场反向与地磁场水平分量和扫场方向相反，改变频率（ ），读出频率 （ 与 对应），取共振频率 ，这样可以排除地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。水平磁场的H数值由水平亥姆霍兹线圈参数及加其上的电压或电流来确定。测量 因子原理图如图6所示，由于Rb85和Rb87的 值不同（Rb85的 ，Rb87的 ），因此每次固定水平场调节射频频率时，会出现两次(7.35.6)所示共振波形，要加以区分，当水平场恒定时，频率高的为Rb87共振信号，频率低的为Rb85共振信号。
光磁共振讲义
一、讲课形式（时间安排）
40分钟理论及相关知识的讲述，15分钟仪器介绍及操作演示。
二、教学要求
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的 因子和测定地磁场。
三、实验原理
1．概念介绍
1)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。
2)如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。
3)光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。
光磁共振
102实验二十四 光 磁 共 振光抽运（Optical Pumping ，也称光泵）由克斯特勒（A. Kastler ）等人于本世纪五十年代初提出。
光磁共振是指通过“光抽运一磁共振一光探测”来研究原子细微结构的一种实验方法，它解诀了光谱方法及核磁共振、电子顺磁共振方法不能满意解决的微观粒子内部细微结构和变化的许多问题。
光磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段，在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。
【实验目的】1．了解光磁共振的基本原理和实验方法。
2．观察铷原于基态塞曼光抽运信号和磁共振信号，测定g 因子值。
3．运用光磁共振方法测量地磁场。
【实验原理】1．铷原子能级的超精细结构及塞曼分裂原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用会产生原子能级的超精细结构。
而原子的总磁矩与磁场的相互作用, 使超精细结构进一步分裂（塞曼效应）。
我们知道，在磁场中，原子总磁矩与磁场B 的相互作用能为B m g B E B F F F μμ=⨯-=→→(1)式中F m 一原子总角动量J 在磁场方向的投影，称为磁量子数。
共有2F ＋1个值，F 为原子总量子数：μB 一玻尔磁子，为一物理常数；B 一磁场的磁通密度，F g 一朗德因子，其值在理论上为)1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J（S 一电子自旋量了数：L 一电子轨道量子数；I 一原子核自旋量了数；J 一L 与S 的合成量子数，从（1）式可知，相邻两塞曼了能级间的能量差为B g E B F μ=∆ (2)铷（Rb ）属碱金属，天然铷同位素有两种， 85Rb 占72．15％， 87Rb 占27.85％，原子能级基态是2/125S (，对应L ＝0，S ＝1／2,J=1/2)，最低激发态2/125P 与2/325P 是的双重态（对应L=1，S ＝1／2,J=1/2,3/2），基态2/125S 跃迁到最低激发态2/125P 与2/325P 的D 1 线波长是794.8nm ，D 2 线波长是780.0nm ，以87Rb 为例，图1表示它在磁场中的精细结构及塞曼分裂。
光磁共振实验原理
光磁共振实验原理一．实验目的1． 掌握光抽运—磁共振的原理和实验方法。
2． 研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
3． 测定铷同位素87Rb 和85Rb 的g F 因子。
4． 测定地磁场。
二．实验原理光抽运或称光泵技术巧妙地将光抽运，磁共振和光探测技术综合起来，用以研究汽态原子的精细和超精细结构。
克服了用普通的方法对气态样品观测时，共振信号非常微弱的困难。
用这个方法可以使磁共振分辨率提高到1110T -。
实验是以天然37号元素铷（87Rb 和85Rb ）为样品，核外电子状态为1s 22s 22p 63s 23p 63d 104s 24p 65s 1,研究碱金属铷原子的基态52S 1/2磁共振。
加外磁场使原子能级分裂，光照使原子从基态跃迁激发态，特别是从52S 1/2态向52P 1/2态跃迁，跃迁过程吸收光子因而检测到的光信号微弱，当偏极化饱和时跃迁吸收停止，检测到的光信号又增强到光源的光强。
1. 铷（Rb ）原子能级的超精细结构和塞曼分裂 铷的两种同位数87Rb 和85Rb 的核自旋量子数I 分别是3/2和5/2。
原子能级的超精细结构是原子的核磁矩和电子磁矩的耦合作用而形成的。
当原子处于弱磁场B 中时，原子的总磁矩和外磁场发生作用，造成能级分裂形成等间距的塞曼子能级，其能量为(μB =9.274×10-24Joule/特斯拉，真空磁导率μ0=4π×10-7 Second*Volt/(Ampere*Meter))：;,1,.......,1,...||;,1,...||F F F B F E B g m B m F F FF I J I J I J J L S L S L S μμ=-⋅==--=++--=++--(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)1,2(1)2(1)J F JJ J L L S S F F J J I I g g g J J F F +-++++++-+=+=++ (2)其中F 为原子的总角动量量子数，S 为外层电子自旋角动量量子数，L 为外层电子轨道角动量量子数，J 为核外外层电子轨道角动量L 与电子自旋角动量S 耦合L+S 的量子数，原子感受到的外磁场B 可以分解为水平磁场B ∥和垂直磁场B ┴，水平磁场B ∥包括地磁场B E 、水平磁场B h 、水平扫描磁场B s 、垂直磁场B v ，即B ┴=B v +B E ┴, B ∥=B h +B s +B E ∥,如果选择垂直场电流方向和电流大小，使外加垂直磁场正好抵消地磁场垂直分量，即－B v +B E ┴＝0，则铷原子感受到的外磁场只有水平分量B ∥=B h +B s +B E ∥，由于磁场存在形成的相邻塞曼能级能量差为（最小可取△m F =1）：∆E=△m F g F μB B ＝△m F g F μB (B h +B s +B E ∥) (3)原子状态可用2S+1X J 表示,而且，当L={0,1,2,3…}时，X={S,P ,D,F …}. 铷原子的基态为52S 1/2，即L=0，S=1/2，J=1/2。
近代物理实验之光磁共振
h 6.626 1034 J s
谢谢观看
塞曼子能级形成R（b87
为例I=3/2）
L: 电子的轨道量子数
S：电子的自旋量子数
J: 轨道角动量和自旋角动量藕合成总的角动量
量子数 J L+S....... L S
I：ห้องสมุดไป่ตู้自旋量子数
F：核自旋与电子总角动量耦合成原子的总角动
量量子数 F J I...... J I
MFu：F 磁量B子和数
• 2）如何区分磁共振信号与光抽运信号？ • 4）本实验能否用光进行光抽运？它对用光抽运有利还是有害？为什么？ • 5）扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？ • 6）本实验的磁共振发生在哪些能级间？ • 7) 使用周期性的“扫描场”有什么好处? • 8) 用方波观察“光抽运”信号时，方波的幅度必须足够大，为什么? • 9) 怎样测量地磁场? 你的测量方案的根据是什么?
5 2r
5 2r
Fig.6
地磁场水平分量测量原
实验注意事项
• 尽量将整个装置置于罩子中，避免外界光的影响； • 注意尽量将装置的光轴尽量调节得与地磁场水平方向一致； • 尽量避免外界磁场对光磁抽运和共振信号的影响； • 用指南针判定好水平场、扫场的方向后，取下指南针。
实验思考题
• 1）如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关 系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？
• 加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反，在示波器上观察光抽运信号， 得到如下图所示的扫场和光抽运信号的对照图：
脉
冲
幅
扫场方波
度
t
信
号
幅
度
信号波形
t
Fig.3 光抽运信号
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%）。
光泵磁共振实验的课件
一 、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
级的朗德因子和地磁场强度。
3
二、实验原理:
本实验的光磁共振对 85Rb 和 87 Rb 各发生在哪些能级间？
外磁场 作用 下
BO'
光泵磁共振实验
前言
卡斯特勒(A.Kasslte)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。
垂直磁场的电流大小 为0.060A,方向与地磁场的垂直分量相 反(即可观察到抽运信号为准)。
最小
0.060A
如何确定水平磁场、直流调制扫场的方向与地磁场水平分量方 向的关系？垂直磁场与地磁场垂直分量的方向及大小的关系？
把指南针放在吸收池上判断
9
b. 扫场的方向和地磁场的水平分量方向相反(为什么？）.
最佳的抽运信号
幅度变为最大
15
2.学会观察 85 Rb和 87 Rb 的光泵磁共振信号
gF B B0' / h
如何判别磁共振信号是 85 Rb 还是 87 Rb 产生的信号？ 计算出本实验85 Rb 和 87 Rb的 g F因子理论值? （ 85 Rb 的g F 85为1/3 ，87 Rb 的 g F 87 为1/2 ）
射频信号发生器
光磁共振实验报告
光磁共振实验报告引言：光磁共振是一种基于光与磁场相互作用的实验方法，可以用于研究物质的光学性质和磁学性质。
本实验旨在通过光磁共振实验，探究光与磁场的相互作用效应，以及基于这种相互作用的应用。
一、实验原理1. 光磁共振现象光磁共振是指当光束通过磁场作用区域内的气体或固体样品时，光束的传播速度和偏振状态会发生变化，这种现象被称为光磁共振。
光磁共振的产生是由于光的电磁性质和物质的磁学性质之间的相互作用引起的。
2. 原子的光磁共振原子的光磁共振是指当原子在外加磁场的作用下，吸收或发射特定频率的光线时产生的光磁共振现象。
这种现象是由于原子的能级结构和外加磁场的相互作用导致的。
二、实验步骤1. 准备实验所需材料和设备：光源、光栅、磁场产生装置、光电探测器等。
2. 搭建实验装置：将光源置于适当位置，使光束通过光栅产生多条平行的光束，再通过磁场产生装置，最后经过光电探测器检测光强度。
3. 调节实验参数：调节磁场强度和光束频率等参数，使光磁共振现象得以观察到，并记录各种参数数值。
4. 测量数据：通过改变磁场强度和光束频率，记录光电探测器的输出信号变化，得到光磁共振曲线。
5. 数据分析：根据实验数据，分析光磁共振曲线的特征，探究光磁共振现象的原理和规律。
三、实验结果与讨论通过实验观察和数据分析，我们得到了光磁共振曲线，发现在特定的磁场强度和光束频率下，光电探测器的输出信号会发生明显的变化。
这表明在这些条件下，光与磁场的相互作用达到了最大值，产生了光磁共振现象。
根据实验结果，我们可以得出以下结论：1. 光磁共振现象是由光与磁场的相互作用引起的，当光束通过磁场作用区域内的物质时，光的传播速度和偏振状态会发生变化。
2. 光磁共振现象的产生与原子的能级结构和外加磁场的相互作用密切相关，只有在特定的磁场强度和光束频率下才能观察到光磁共振现象。
3. 光磁共振现象具有很高的灵敏度和分辨率，可以用于研究物质的光学性质和磁学性质，以及制备高性能光学和磁学材料。
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。
光磁共振实验
光泵磁共振光泵磁共振的基本思想是卡斯特勒（A.Kastlar）在50年代提出的，它是利用光抽运（0ptical pumping）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
这个磁共振信号是非常弱的，而本实验应用了光泵的光检测的方法，使磁共振分辨率高（可达10-11T）的优点得到了保持，同时还能将探测灵敏度至少提高10个左右数量级。
此方法不仅可以用于基础性研究，对于其它实用测量技术方面也有广泛的应用。
实验中是以天然铷（Rb）为样品，研究碱金属铷原子基态光磁双共振。
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。
光磁共振
个低频射频光子（1~10MHz）转换成光频光子（108MHz），从而使信号功率增强了 7~8 个数
量级。
实验装置
实验装置如图 7-6 所示，铷光谱灯是一种高频气体放电灯。它由高频振荡器、控温 装置和铷灯泡组成。铷灯泡放置在高频振荡回路的电感线圈中，在高频电磁场的激励下产生
无 极放电而发光。整个振荡器连同铷灯泡放在同一恒温槽内，温度控制在 90oC 左右。高频振 荡器频率约为 65MHz。干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）能很好地滤去 D2 光（D2 光不利
热平衡状态向非热平衡状态转变，A.Kastler 引入了光抽运方法，用圆偏振光激发铷原子， 使塞曼子能级间的粒子差数比玻尔兹曼分布形成的粒子差数大几个数量级，造成铷原子的偏
极化。
I=3/2
I=5/2
52P3/2
J=3/2
F=3 F=2 F=1 F=0 F=2
+2
+1
F=2
0
-1
52P1/2 J=1/2 818.6 MHZ*h
原子物理中原子总磁矩μF 与外磁场 B0 相互作用的能量为
E F • B0 gF mF B B0
相邻塞曼子能间的能量差为：EmF gF B B0 。如在垂直于恒定磁场 B0 的平面内施 加一射频场 B1，当射频场的频率 满足共振条件
hv E gF B B0
时，Rb 基态超精细塞曼能级之间将发生感应磁跃迁现象，感应磁跃迁的选择定则是
于 D1 的光抽运）。偏振片和 1/4 波片（和准直透镜装在一起）使光成为左旋圆偏振光。
镜镜 1 使光源发出的光变为平行光，焦距较小；透镜 2 将透过样品泡的平行光会聚到光电 接收器上。天然铷和惰性缓冲气体被充入一个直径约 52mm 的样品泡内，该铷泡两侧对称 放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁场。这个铷吸收泡和射频线圈都置于圆 柱形恒温槽内，称它为吸收池。槽内温度约在 55 oC 左右。吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈 的中心。小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。大的一对线圈有两个绕组， 一组为水平直流磁场线圈，它使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。另一组为扫场线圈，它 使直流磁场上叠加一个调制磁场。光电探测器接收透射光强变化，并把光信号转换成电信号。 接收部分采用硅光电池，再把电信号经放大器放大后从示波器上观察。
光磁共振实验原理
2.搜索共振信号。
水平场、水平地磁场和扫场三场同向(Bh,Bs,BE//)。射频信号频率调到最大,此时应无抽运信号和共振信号,然后慢慢降低射频信号频率,直至出现一个向下的尖峰（即共振信号）,第一个共振信号一定是87Rb的,然后在该信号频率的三分之二处找85Rb的共振信号（注意此时共振信号和抽运信号相混杂,应能够区分这两种信号）。测量这两个信号的频率,计算其比值，它就是铷原子85和铷原子87的基态朗德因子之比，即gF85/gF87=85/87。
其中F为原子的总角动量量子数，S为外层电子自旋角动量量子数，L为外层电子轨道角动量量子数，J为核外外层电子轨道角动量L与电子自旋角动量S耦合L+S的量子数，原子感受到的外磁场B可以分解为水平磁场B∥和垂直磁场B┴，水平磁场B∥包括地磁场BE、水平磁场Bh、水平扫描磁场Bs、垂直磁场Bv，即
B┴=Bv+BE┴,B∥=Bh+Bs+BE∥,
3.水平场反向法测朗德因子。
保持水平场电流不变，分别测量三场同向(Bh, Bs, BE//)和水平场反向(Bh, Bs, BE//)两种情况下的共振频率同和反,并据此分别计算87Rb和85Rb的gF值。引用（5）式有
h同= gFB(Bh+Bs+BE∥)，h反=gFB(Bh－Bs－BE∥)，|Bh|>|Bs+BE//|（水平场电流较大时）
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。
光磁共振实验讲义
25P 12794.76nm780.0nmFig.1 铷原子精细结构的形成光磁共振讲义一、 讲课形式（时间安排）40分钟理论及相关知识的讲述，15分钟仪器介绍及操作演示。
二、 教学要求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．概念介绍1) 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。
2) 如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。
3) 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、 因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。
2．铷原子的能级分裂（精细结构的形成）1) 研究对象：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=1/22) 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3) 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|4) 对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为21/25S ；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为223/21/25,5P P ，如右图所示，形成两条谱线。
3．朗德因子的引入电子轨道角动量L P 和自旋角动量S P 的合成角动量J L S P P P =+电子总磁矩J u两者关系为 2J JJeu g P m= 其中 (1)(1)(1)12(1)J J J L L S S g J J +-+++=++4．原子超精细结构的形成由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。
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25P 12794.76nm780.0nmFig.1 铷原子精细结构的形成光磁共振讲义一、 讲课形式（时间安排）40分钟理论及相关知识的讲述，15分钟仪器介绍及操作演示。
二、 教学要求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．概念介绍1) 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。
2) 如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。
3) 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、 因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。
2．铷原子的能级分裂（精细结构的形成）1) 研究对象：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=1/22) 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3) 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|4) 对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为21/25S ；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为223/21/25,5P P ，如右图所示，形成两条谱线。
3．朗德因子的引入电子轨道角动量L P 和自旋角动量S P的合成角动量J L S P P P =+电子总磁矩J u两者关系为 2J JJeu g P m= 其中 (1)(1)(1)12(1)J J J L L S S g J J +-+++=++4．原子超精细结构的形成由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。
核的自旋量子数表示为I ，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为：8785(27.85%),3/2(72.15%),5/2Rb I Rb I ==核的自旋角动量表示为I P，得原子总角动量：F I J P P P =+其中F 用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。
5．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，Fig.2 铷原子超精细结构的形成23/25P 21/25P 21/25S 2F =1F =1F =2F =……87851/2,2,1 ,3/2,3/2,3,2,1,01/2,2,1 ,5/2,3/2,4,2,1,0JF Rb I J F JF Rb I JF ==⎧=⎨==⎩==⎧=⎨==⎩基态基态2F FF e u g P m=(1)(1)(1)2(1)F IF F J J I I g g F F +++-+=+形成塞曼子能级。
这些能级用磁量子数来表示，,1,...,F M F F F =--，能级间距相同。
F u和B 相互作用能表示如下：F F F B E u B g M Bμ=-⋅=能级间距为：F B E g B μ∆= 其中B μ为玻尔磁子。
6．圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应将角动量为+ 的左旋圆偏振光照射到气态原子87Rb 后，根据光跃迁选择定则，基态中2F M =+能级上的粒子数会越来越多，形成粒子数偏极化。
高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。
7．驰豫时间粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）到平衡状态（玻尔兹曼分布）所需的时间。
本实验中，在样品泡中加入少量分子磁矩较小的缓冲气体（如氮、氖等）避免铷原子与容器壁碰撞而使粒子失去偏极化。
另外将温度保持在50到60摄氏度之间，尽量减小铷原子与容器壁的碰撞。
8．塞曼能级间磁共振在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一频率为υ的射频磁场，当满足B h g B υμ=时发生磁共振，如此，粒子的偏极化程度降低，再次发生光抽运，最终形成光抽运与磁共振的动态平衡。
9．光探测照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。
一是产生光抽运效应；二可以通过测量透射光强得到磁共振信号。
当各能级上的粒子数相同时，样品对偏振光吸收最强，透射光最弱；当粒子数偏极化强度最强时，透射光最强。
这里通过透射光强的变化来得到磁共振信号，提高了测量灵敏度。
Fig.3 铷原子塞曼子能级的形成23/25P 21/25P 21/25S 1F =2F =……2F =1F =FM +20-10+10-2-10+19．以下为实验装置图Fig.4 光磁共振实验装置图四、实验操作步骤及注意事项1. 实验仪器调节（1）在实验装置通电之前，进行主体单元光路的机械调整（参见DH807A型技术说明书），达到实验要求。
（2）按下“预热”键，将加热铷灯温度达到90℃并控温（约30分钟温度稳定），同时加热样品吸收池约50℃并控温，然后按下“工作键”，此时铷灯应发出玫瑰紫色光信号。
（3）在主体单元光路的机械调整基础上，检查光源，透镜，吸收池，光电探测器等元器件的位置是否调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量是否最大。
（4）调整双踪示波器处于工作状态，建议用一通道观察扫描电压波形，二通道观察光电探测器的信号。
2．观察光抽运信号（1）观察光抽运信号时，应观察地磁场的影响。
可以先用指南针判断扫场，水平场，垂直场相对于地磁场的方向。
如过水平，垂直磁场为零，扫场与地磁场方向相反等（注意不开射频振荡器时，扫场选择方波，将方波加到扫场线圈上，产生1～2高斯磁场）。
当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平磁场和垂直磁场时，注意记下数字电压表对应电压的数字。
（2） 使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反（注意调节扫场的方向和大小），特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大的影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消，应旋转偏振片，改变它与1/4波片的相对方位，同时改变垂直场的方向和幅度使它抵消地磁场垂直分量，可获得光抽运信号最大，如图5所示。
实验中要注意观察在刚加上磁场瞬间的光强变化，开始时各塞曼能级上的粒子数相等，铷原子样品池对D1线吸收最强，随着粒子被抽运到磁量子数MF ＝＋2上，对D1线光吸收减弱，透射光强逐渐加强。
当MF ＝＋2上的粒子数饱和时，透射光强达到最大值且不再变化，当磁场降到零后并反向，塞曼能级由分裂到简并到再分裂等过程。
Fig.5 光抽运信号3．观察光磁共振信号 （1）测量朗德F g 因子扫场采用三角波，方向置于与地磁场水平分量相同德方位上，并使水平磁场调到某一个确定值。
由磁共振条件得到： Hh g B F μυ=调节射频频率υ产生磁共振，υ由示波器确定或由频率计给出。
从上式中可以看出，如知H 便可求出F g ，H 是使原子塞曼分裂的总磁场（包括水平场，地磁水平分量，扫场直流分量）。
实验中，可以这样考虑，先确定1υ（1υ与1H 对应），再拨动水平开关，使其水平磁场反向与地磁场水平分量和扫场方向相反，改变频率（21υυ→），读出频率2υ（2υ与2H 对应），取共振频率2/)(21υυυ+=，这样可以排除地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。
水平磁场的H 数值由水平亥姆霍兹线圈参数及加其上的电压或电流来确定。
测量F g 因子原理图如图6所示，由于Rb 85和Rb 87的F g 值不同（Rb 85的T MHz H /107.4/3⨯=υ，Rb 87的T MHz H /100.7/3⨯=υ），因此每次固定水平场调节射频频率时，会出现两次(7.35.6)所示共振波形，要加以区分，当水平场恒定时，频率高的为Rb 87共振信号，频率低的为Rb 85共振信号。
图6 F g 因子测量原理图（2）测量地磁场地磁场测量方法与测F g 因子相同，先满足扫场，水平场与地磁场水平分量方向相同测得1υ，然后同时改变扫场和水平场方向开关测得2υ，这样得到地磁场水平分量所对应的频率为2/)(21υυυ-=，既排除了扫场和水平场的影响，又可以得到地磁场水平分量（）//H 为：FB g h H μυ=// 而对于地磁场垂直分量⊥H 已在实现最佳光抽运信号时测得，那么地磁场H 地的大小和方向由下式求得：22//⊥+=H H H 地//H H tg ⊥=θ4．注意事项（1）由于实验是在弱磁场中进行，为了确保测量地准确性，实验装置中的主体单元一定要远离其它带有强地磁场，大功率电源线和带有电磁性物体。
磁场方向判断后，务必取出指南针。
另外主体单元应罩上黑布，可避免外界杂散光进入光电探测器。
注意尽量将装置的光轴尽量调节得与地磁场水平方向一致。
（2）在精密测量的实验中，为避免铷原子吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响，可采取在短时间内关掉吸收池加热电源。
（3）采用光泵技术制成的光泵磁强计测量弱磁场，测量方法同测地磁类似。
由共振条件，对Rb 87样品可算得：υ4104273.1-⨯=H （特斯拉）对Rb 85样品可算得：υ4101409.2⨯=H （特斯拉）对于亥姆霍兹轴线中心处的磁场用下式计算T rRNVH 7310516-⨯=π式中N 为线圈每边匝数，V 为加在线圈上的电压，r 为线圈有效半径，R 为线圈线绕电阻。
五、数据处理要求 1．要求计算地磁场的大小2．要求计算铷原子的g 因子并计算相对误差 六、思考、创意、拓展1．使用周期性的“扫描场”有什么好处?2．用方波观察“光抽运”信号时，方波的幅度必须足够大，为什么? 3．怎样测量地磁场? 你的测量方案的根据是什么?4．如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？ 5．如何区分磁共振信号与光抽运信号？6．如何判别磁共振信号是87Bb 还是85Rb 产生的？7．本实验能否用光进行光抽运？它对用光抽运有利还是有害？为什么？8．扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？ 9．本实验的磁共振对87Bb 和85Rb 各发生在哪些能级间？ 七、参考文献1.B.凯格纳克，J-C 裴贝罗拉，近代原子物理学（下册），科学出版社，1982。
2.龚顺生，物理实验，第1卷第4期，1981。