光磁共振实验剖析
陈孝章光磁共振实验报告
光磁共振实验报告陈孝章物理091班09180120【摘要】本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，学会使用DH807A 型光磁共振实验装置来观察光抽运信号，进而测定铷原子两个同位素Rb87或Rb85的超精细结构塞曼子能级的朗德g因子的测量。
【关键词】光磁共振精细结构基态跃迁热平衡弛豫塞曼能级【引言】光磁共振又叫光泵磁共振，其基本思想是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细结构和超精细结构塞曼能级之间的磁共振，由于气态样品的浓度比液态和固态样品的浓度低几个数量级，能级间的共振型号非常微弱，所以一般的磁共振技术很难达到测量要求。
光磁共振采用了光探测方法，由于光量子能量是射频量子能量的1000000-10000000倍，因此此方法大大提高了磁共振的探测灵敏度。
由于光磁共振的应用价值，Kastler获得了1966年的诺贝尔奖。
【正文】一．光抽运效应在热平衡下，铷原子各个子能级上的例子数都遵从波尔兹曼分布，由于各塞曼能级的能量差非常小，各能级上的粒子数近似相等。
为了使系统由热平衡状态向非热平衡状态转变，A.Kaslter引入了光抽运方法，用园偏振激发铷院子，使塞曼能级间的粒子差数比波尔兹曼分布形成的粒子数差大几个数量级，造成铷原子的偏极化。
上图是处在磁场中的铷原子能级示意图。
二．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。
光磁共振实验报告
近代物理实验题目光磁共振学院数理与信息工程学院班级物理071班学号07180132姓名骆宇哲指导教师斯剑宵浙江师范大学实验报告实验名称光磁共振班级物理071 姓名骆宇哲学号07180132同组人实验日期10/04/15 室温气温光磁共振摘要：光磁共振(光泵磁共振)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％。
气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。
本实验应用光抽运、光探测的方法，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几个以至十几个数量级。
此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有很大的实际应用价值。
关键词：光磁共振光抽运塞曼能级分裂超精细结构引言：光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。
这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。
由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。
光磁共振方法现已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。
利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。
实验方案：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．测定铷原子超精细结构塞曼子能级的郎德因子g。
二、实验仪器由主体单元(铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈)、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。
三、实验内容1．仪器的调节①在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。
再用指南针确定地磁场方向，主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。
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）
浙师大物理实验报告-光磁共振
浙师⼤物理实验报告-光磁共振光磁共振实验报告物理081班任希 08180123摘要：在我们对原⼦超精细结构进⾏了初步的理解之后，通过课本及⽹络资料的提⽰，本实验采⽤了以光泵抽运法来研究⽓态原⼦基态及激发态精细和超精细结构赛曼能级间的磁共振，并且使⽤DH807A 型光磁共振实验装置来观察光抽运信号的过程，从⽽测定铷原⼦两个同位素Rb Rb 8785和的超精细结构塞曼⼦能级的朗德g 因⼦。
关键词：光泵抽运法、塞曼分裂、铷原⼦引⾔：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。
正⽂：实验开始之前，需要对仪器进⾏⼤约半⼩时的预热，并且提前对实验内容进⾏进⼀步消化，经过之前的预习⼯作之后，只需对实验仪器做进⼀步的了解即可。
预热步骤之后，初步对实验仪器进⾏调试，可以发现⽇光灯对实验仪器的影响，⽽且这个影响对实验结果会造⽔平磁场线圈铷光谱灯⾼频振荡器放⼤器Rb⼲涉滤光镜透镜偏振⽚1/4波⽚射频线圈恒温槽垂直磁场线圈透镜光电池光电探测器⾄⽰波器光磁共振实验装置⽰意图成⾮常巨⼤的影响，所以最后进⾏实验时，应⽤幕布罩住整个实验仪器或是关掉⽇光灯进⾏实验，以确保实验结果的准确性。
1.观察光抽运现象⾸先对光路进⾏调节，保证各元件在同⼀光轴上。
调节地磁的影响前，⾸先扫场⽅式选择⽅波，把⽔平和垂直⽅向的附加场的旋钮打⾄最⼩处，然后⽤指南针确定地磁⽅向，设置扫场⽅向与地磁场⽔平分量⽅向相反，预制垂直场电流为0.07A 左右，增⼤扫场幅度并调节⽰波器，可初步观察到光抽运信号，然后⼀次调解透镜，偏振⽚及扫场幅度,垂直⼤⼩与⽅向，使光抽运幅度最⼤。
实验6-3 光磁共振
MF
52 P1/ 2
F=2Biblioteka F=152 S1/ 2F=2
F=1
——弛豫时间
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。
幅 扫场方波 度 信 号 幅 度 信号波 t Fig.6 光抽运信号 t
——3. 观察光磁共振信号
测量 g 因子 1) 加上方向同地磁场水平方向的三角波扫场以及频率为 υ 的射频磁场，调节频率的大小观察磁共振信号，假设 频率为 υ1 时观察到共振信号；接着将水平场反向，频 率为 υ 2 时得到共振信号，那么 (υ1 + υ2 ) / 2 便是水平磁场 对应的共振频率，由此可以得出 g 因子。需要注意的 是因铷原子有两种同位素，所以会出现两次共振信号， 频率高的为 共振信号；频率低的为 Rb87 共振信号。 Rb85
80 − 90 o C 间，按工作键，这时除射频线圈的各线圈电源都 已接通，开启高频振荡器，发紫红色光。
调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为pi/4
——2. 观察光抽运信号
调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分 量； 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 脉 信号的对照图： 冲
87
= 1 / 2, F = 2,1 基态 = 3 / 2, F = 3,2,1,0 = 1 / 2, F = 2,1 = 3 / 2,...... 基态
52 P3/ 2
52 P 2 1/
光磁共振的一些问题探讨
三个结论
➢ 跃迁几率随水平场电流的增加而减小 ➢ 跃迁几率随射频场振幅的增加而增加 ➢ 同频率同振幅情况下，方波激发的跃迁几
率大于正弦波
解释
谢谢大家！
和P满足简单的线性关系
g. q P
2mN
Z
+2
P
&们在Z轴方向上加一个磁
场，不同方向上的磁矩便会 和B相互作用，产生不同的
B
附加能量，这就是塞曼分裂， E +2
他们之间的能量差
+1
0
E gF B B
-1
-2
事实上，磁矩和磁场的相 互作用不仅仅是使能级 发生分裂，它还使磁矩 绕着磁场进动，且这个 进动频率恰好就是满足 磁共振的条件的等式中 的那个频率
光磁共振的一些问题探讨
➢ 在光磁共振实验中，当射频场频率和磁场 满足下面关系时，便出现磁共振
h gF B B
但是，我们发现跃迁时是原子向下 跃迁，它并不需要吸收能量，那么 那么我们上述的公式意义何在呢？ 对于一个本不需要能量的跃迁为什 么我们需要提供与塞曼子能级之间
能量完全一样的射频场呢？
• 在近代物理实验中我们学过， 原子的角动量P在Z方向上是 不确定的，而原子核的磁矩
当加上一个水平方向上的 射频场时，它可以分解 为两个以相反方向旋转 的圆偏振磁场，
Z 这样我们在以Z为轴，角速
度为磁矩转动的角速度 的旋转坐标系中来研究 这一运动 ，如果旋转磁
场和磁矩角速度相同， 那么磁矩和水平旋转磁 场都保持静止，那么磁 矩在水平场的作用下会 绕水平场进动，方向如 图
那么角速度不一样会如何？
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。
光磁共振实验报告BYCQ
光磁共振实验报告BYCQ
我参加了一次光磁共振实验，这是一项非常有趣和重要的实验，可以帮助人们更深入
地了解人体和物质的工作原理。
在实验中，我们使用了一个称为核磁共振的技术。
这种技术利用磁场和射频信号来观
察样品中的原子核的运动。
在这个实验中，我们使用的样品是一个小塑料盒子里的水分子。
通过这个实验，我们能够看到水分子中的原子核如何在磁场中定向运动。
我们可以调
整磁场强度的大小来改变水分子中原子核的运动情况。
我们还使用了一些射频信号来激发
原子核的运动，并观察他们如何反映出来。
这个实验还帮助我们了解了一些有关核磁共振成像（MRI）的原理。
MRI利用核磁共
振技术来生产人体的内部结构。
MRI是一种无创的检查方法，可以提供医生详细的图像，
并帮助医生诊断和治疗很多疾病。
总的来说，这个实验让我更深入地理解了原子核如何在磁场中的运动，也让我更好地
理解了MRI技术的原理。
我相信这个实验对于我的化学和生物学学习都将非常有用。
南京大学-光磁共振实验报告
光磁共振(南京大学物理学院 江苏南京 210000)摘要：光磁共振是利用光抽运的方法，进一步提高磁共振灵敏度的技术。
本实验依据光磁共振技术，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；磁共振；塞曼效应；塞曼子能级；地磁场；朗德因子一、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. 测定銣原子87Rb 和85Rb 的参数：基态朗德因子F g 和原子核的自旋量子数I 。
3. 测定地磁场B u u u r地的垂直分量B 地垂直、水平分量B地水平及其倾角θ。
二、实验原理光磁共振技术是根据动量守恒原理，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。
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，处于第五壳层，主量子数n=5,电子轨道量子数L=0,1,2,3…,n-1,电子自旋S=1/2。
铷原子中价电子的轨道角动量L P 和自旋角动量S P 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量J P，其数值,,1,,J P J L S L S L S ==++-⋅⋅⋅-。
当不考虑铷原子核的自旋时，铷原子总磁矩2J JJ eeg P m μ=-，其中,e e m -分别为电子的电荷、质量。
朗德因子 (1)(1)(1)12(1)J J J L L S S g J J +-+++=++从而形成原子的超精细结构能级，这时，铷原子的基态能级21S J nS +对应于n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为2125S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级21S J nP +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为2125P 和2325P ，相应的朗德因子24,33J g =。
实验报告_光磁共振(样例)
这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于子能级上的原 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 迁到的子能级，上的原子数就会减少；同样，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
四、【实验内容或步骤】
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 需30分钟温度稳定，按下工作键，此时铷灯应发出攻 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 达光电池的光通量最大。 (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。
在有外磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，由于总磁矩与磁场B 的相互作用，超精细结构中的各能级会进一步发生塞曼分裂，形成塞曼 子能级，使原子产生附加的能量：
其中称为玻尔磁子，ＭＦ＝－Ｆ，－Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ ＋１个值。我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随ＭＦ变化，原来对 ＭＦ简并的能级发生分裂，
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。 (2)不开射频振荡器，扫场选择" 方波”，调节扫场的大小和方向， 使扫场与地磁场的 水平分量相反，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。
实验（ ）
光磁共振
一、【实验目的】
1. 加深原子超精细结构的理解，了解光泵磁共振的基本
原理；
近代物理实验_光磁共振实验深圳大学
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：光磁共振实验报告学院：物理科学与技术学院组号 09 指导教师：陈静秋报告人：学号：班级： 01实验地点科技楼B105 实验时间：实验报告提交时间：mF=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．由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用．设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同，则左旋圆偏振的σ﹢光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为?；右旋圆偏振的σ－光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为－?；线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加，其角动量为零．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，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ，Δ F＝0，±1，ΔmF＝±1 。
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 。
磁共振实验报告
近代物理实验题目磁共振技术学院数理与信息工程学院班级物理082班学号08220204姓名同组实验者指导教师光磁共振实验报告【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量g因子。
【关键词】光磁共振光抽运效应塞曼能级分裂超精细结构【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。
这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。
由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。
光磁共振方法现已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。
利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。
【正文】一、基本知识1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂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1所示．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B0相互作用的能量为E＝－μF·B0＝g F m FμF B0（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g F= g J [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ⁄ 2F（F＋1）（2）图1其中g J= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ⁄ 2J（J＋1）（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（1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差ΔE＝g FμB B0（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(2)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．由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用．设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同，则左旋圆偏振的σ﹢光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为ħ；右旋圆偏振的σ－光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为－ħ；线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加，其角动量为零．现在以铷灯作光源．由图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0.7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ，Δ F＝0，±1，Δm F＝±1 （5）图2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Δm F＝＋1的跃迁，故D1σ﹢光只能把基态中除m F＝＋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2(a)所示．图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m F＝＋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m F ＝＋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m F＝－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m F＝＋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．4、磁共振与光检测式（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 ＝g FμB B0．（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m F＝＋2跃迁到m F＝＋1子能级．接着也相继有m F＝＋1的原子跃迁到m F＝0，……．与此同时，光抽运又把基态中非m F＝＋2的原子抽运引m F＝＋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m F＝＋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。
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 实验报告
一.实验目标1．控制光抽运-磁共振-光检测的实验道理及实验办法; 2．研讨原子,分子能级的超精致构造;3．测定铷原子同位素87Rb 和85Rb 的郎德因子g,测定电磁场的水等分量. 二.实验道理：1．铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z=37）是一价金属元素,自然铷中含量大的同位素有两种：87Rb,占27.85 %和85Rb,占72．15%.它们的基态都是52S1/2.在L —S 耦合下,形成双重态：52P1/2和52P3/2,这两个状况的能量不相等,产生精致决裂.是以,从5P 到5S 的跃迁产生双线,分离称为D1和D2线,如图B4-1所示,它们的波长分离是794.76nm 和780.0nm.经由过程L —S 耦合形成了电子的总角动量PJ,与此相接洽的核外电子的总磁矩J μ为2J JJeeg 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）图B4-1 Rb 原子精致构造的形成是有名的朗德因子,me 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 暗示.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 暗示,其量子数用F 暗示,则I J F P P P+=（B4-3）与此角动量相干的原子总磁矩为2F FF eeg P m μ=-（B4-4） 式中 )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 的情形下,总磁矩将与外场互相感化,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） 个中2B eem μ=124102741.9--⨯=JT 称为玻尔磁子,F M 是F P 在外场偏向上分量的量子数,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 变更,本来对F M 简并的能级产生决裂,称为超精致构造,一个F 能级决裂成2F ＋1个子能级,相邻的子能级的能量差B g E B F μ=∆ （B4-7）再来看一下具体的决裂情形.87Rb 的核自旋2/3=I ,85Rb 的核自旋2/5=I ,是以,两种原子的超精致决裂将不合.这里以87Rb 为例,介绍超精致决裂的情形,可以对比懂得85Rb 的决裂.原子在磁场中的超精致决裂情形如图B4-2所示.因为实验中D2线被滤失落,所涉及的52P3/2态的耦合决裂也就不必斟酌.2．光磁共振跃迁实验中已对铷光源进行了滤光和变换,只让D1σ+光（左旋圆偏振光）经由过程并照耀到产生超精致决裂的铷原子蒸气上,铷蒸气将对D1σ+光产生接收而产生能级间的跃迁.须要指出的是（1）从常温对应的能量kBT 来权衡,超精致决裂和之后的塞曼决裂的裂距都是很小的,根据玻尔兹曼散布T k E totalB e N N 11-= （B4-8） 由52S1/2决裂出的8便条能级上的原子数应接近平均散布;同样,由52P1/2决裂出的8便条能级上的原子数也接近平均散布. （2）假如斟酌到热活动造成的多普勒效应,铷光源发出的D1σ+光现实包含了中断频率的光,这些光使得D1线有必定的宽度,同时也为铷蒸气可能进行的各类接收供给了丰硕的谱线.图B4-287Rb 原子能级超精致决裂处于磁场情形中的铷原子对D1σ+光的接收遵照如下的选择定章1±=∆L 1,0F ∆=±;1+=∆F M根据这一选择定章可以画出接收跃迁图,如图B4-3所示.图B4-3 87Rb 原子对D1σ+光的接收和退激跃迁可以看到,跃迁选择定章是0,1±=∆F ;0,1±=∆F M跃迁见图B4-3的右半部分.当光中断照着,跃迁5S →5P →5S →5P →…如许的进程就会中断下去.如许,5S 态中2+=F M 子能级上的原子数就会越积越多,而其余7个子能级上的原子数越来越少,响应地,对D1σ+光的接收越来越弱,最后,差不久不多所有的原子都跃迁到了5S 态的MF=+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接收光,这时间强测量值不再产生变更.经由过程以上的剖析可以得出如许的结论：在没有D1σ+光照耀时,5S 态上的8个子能级几乎平均散布着原子,而当D1σ+光中断照着时,较低的7个子能级上的原子慢慢被“抽运”到MF=+2的子能级上,消失了“粒子数反转”的现象（偏极化）.在“粒子数反转”后,假如在垂直于静磁场B 和垂直于光传播偏向上加一射频振荡的磁场,并且调剂射一再率ν,使之知足B g h B F μν=（B4-9）这时将消失“射频受激辐射”,光接收进程重又开端,光强测量值又下降.跃迁到5P 态的原子在退激进程中可以跃迁到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.因为此时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”.在参加了周期性的“扫场”磁场今后,总磁场为 Btotal=BDC+BS+//e B （B4-10）个中BDC 是一个由通有稳固的直流电流的线圈所产生的磁场,偏向在程度偏向,//e B 是地球磁场的水等分量,这两部分在实验中不变.BS 是周期性的“扫场”磁场,也是程度偏向的.地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场合抵消.当光磁共振产生时,知足量子前提1//()F B DC S e h g B B B νμ=++（B4-11）经由过程仪器上的换向开关将直流磁场的偏向倒转,此时可能不雅察不到共振旌旗灯号.调节射频的频率,又可以看到共振旌旗灯号,并调到如图B4-7所示的状况,记下射频的频率ν2,则有如下的量子前提成立2//()F B DC S e h g B B B νμ-=-++（B4-12）由（B4-11）.（B4-12）式得DCB F B h g μνν2)(21+=（B4-13）直流磁场BDC 可以经由过程读出两个并联线圈的电流之和I 来盘算（亥姆霍兹线圈公式）72/310516-⨯=rNIB DC π（T ）（B4-14） 式中N 和ｒ是两个程度线圈的匝数和有用半径,因为两个线圈是并联的,数字表显示的Ｉ值是流过两个线圈的电流之和.图B4-7 光磁共振旌旗灯号图像Ⅲ以上介绍的是针对样品只消失一种原子的情形,事实上,样品中同时消失87Rb 和85Rb,所以,一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振旌旗灯号,当转变射频旌旗灯号频率时二者是瓜代消失的.对每一种原子造成的共振旌旗灯号都可以用上面介绍的办法测量其gF 因子.要留意,gF 因子的值不但与原子有关,并且还与量子数F 的值有关.不难看出,这里测量的是87Rb 的5S 态中F=2的gF 因子,而对于85Rb 来讲,测量的是F=3的gF 因子.两种原子的gF 因子之比为23)13(32)251(25)211(21)13(3)12(22)231(23)211(21)12(2)()(8587=+⨯⨯+-++++⨯⨯+-+++=Rb g Rb g F F （B4-15）上式为断定共振旌旗灯号是哪一种原子引起的供给了根据.3．运用光磁共振测量地磁场的水等分量在光磁共振实验中,还能测量到地球磁场的水等分量//e B 的值,这为光磁共振供给了另一个运用.办法如下：在测量出gF 因子之后,在（B4-11）式的基本上,同时将BDC 和BS 倒向,调节射频旌旗灯号频率至ν3,消失如图B4-8所示的旌旗灯号,则有如下量子前提成立3//()F B DC S e h g B B B νμ-=--+（B4-16）由（B4-11）式加（B4-16）式得//e B =BF g h μνν2)(31-（B4-17）图B4-8 测量地磁场水等分量时间磁共振旌旗灯号图像 四.实验仪器：DH807A 型光磁共振实验仪四.实验数据处理： 1、不雅察光抽运旌旗灯号按照实验请求进行仪器的调节,经由过程指南针可以断定,程度场按钮按下去时程度场与地磁场水等分量同向,弹出时程度场与地磁场水等分量反向;扫场按钮按下去时扫场与地磁场水等分量反向,弹出时扫场与地磁场水等分量同向.进而调节扫场幅度,使光抽运旌旗灯号幅度等高. 2、不雅测光磁共振旌旗灯号电流(A)同向kHz 960 1040 1130 1200 1280 1360 1450 1530 1610 1690 反向kHz320410480550 640740810890970105072/310516-⨯=r NI B DC πDCB F B h g μνν2)(21+=可求出gF 因子. 仪器参数项目名称程度场扫场垂直场线圈每边匝数N 250 250 100 线圈有用半径rm r 2406.0=,250=NN 和ｒ为两个程度线圈的匝数和有用半径,Ｉ为流过两个线圈的电流之和得：,可得gf=;由实验道理知F g 理论值为5.087=Rb F g∴误差为Er==0.0248%个中b=-12082,且根据公式//e B = 得//e B =1.726*10E-63误差剖析：数据较为精确可能会造成误差的身分有： 外界磁场的影响, 仪器并未充分预热 测量时电流其实不精确 精确度不敷外界光源经由过程遮光的布闲暇透进等五：习题 一.实验预习：自然铷和惰性气体在小泡内,两侧放置射频线圈供给射频磁场.中央位恒温槽,称为接收池.槽内温度55度.垂直磁场线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量. 程度磁场线圈两个绕组,一组为程度直流磁场线圈,使铷原子的超精致能级产生塞曼决裂.另一组为扫场线圈,使直流磁场叠加一个调制磁场.铷光谱灯作为抽运光源. 准直透镜使光平行过小泡. 会聚透镜使光汇聚到光电池上. 干预滤光镜选出D1光.偏振片和1/4玻片使光成为左旋圆偏振光.用射频电磁场感化使之产生磁共振,用光探测原子对入射光的接收,从而获得光泵磁共振旌旗灯号.因为决裂的塞曼能级间的能量差很小,可以以为原子在塞曼能级上是的决裂是平均的所以光磁共振要用铷光谱灯产生的D1谱线左旋圆偏振光照耀到铷上,使之产生光抽运现象.若是用右旋圆偏振光也可以,只是处于磁场情形的铷原子对右旋圆偏振光的接收遵照的选择定章公式变了0,1±=∆F ;1-=∆F M只是原子倍抽运到Mf=-2的子能级上 六．总结本次实验步调较为简略,但仍然消失留意要点,例如若何防止外界光干扰若何防止地磁干扰等等,个中经由过程外加反向磁场去除地磁干扰的办法值得借鉴.实验道理比较庞杂,须要细心地预习.。
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》报告
光磁共振引言光磁共振技术是20世纪50年代由法国物理学家卡斯特勒（A.Kastlor ）提出的。
该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。
气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。
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。
实验原理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52Ｓ1／2，最低激发态是52Ｐ1／2和52Ｐ3／2的双重态。
对Ｒb 87， 52Ｐ1／2—52Ｓ1／2跃迁为Ｄ1线（λ1＝7948A ）；52Ｐ3／2—52Ｓ1／2为Ｄ2线（λ2＝7200A ）。
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Ｒb 87，I ＝3／2，因此Ｒb 87的基态有两个值：F ＝2和F ＝1。
对Ｒb 85， I ＝5／2，因此ＲB 85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ＰF 与总磁矩μF 之间的关系为：2=-F FF eu g P m (1)(1)(1)2(1)F J F F J J I I g g F F +++-+=+ 在磁场Ｈ中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。
对某－F 值，磁量子数ＭF ＝F ，…，－F ，即分裂为2F ＋1个能量间距相等（ΔＥ＝ｇF μB Ｈ，μB 为玻尔磁子）的塞曼子能级（见图3.2-1）。
在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布（Ｎ＝Ｎ0ｅ－E ／kT ），由于基态各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。
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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。
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。
m F=F，F—1，…，（—F），即分裂成2F+1个塞曼子能级。
在磁场中铷原子基态和最低激发态的能级如图13-1所示。
原子总磁矩μF与磁场B0相互作用能为（诸圣麟，1979）：e eE=—μF B0= g F──P F B0= g F──m F B0h （4）2m e2m ee e分别令：μB=──h（玻尔磁子）和γ=—g F──（旋磁比），则有：2m e2m eE=—γm F hB0=g F m FμB B0由此可知外磁场为B0时，相邻塞曼子能级之间的能量差为：△E=g FμB B0（5）可见在此磁场中△E与B0成正比，当B0=0时，各塞曼子能级简并为原来的超精细能级。
对在弱磁场B0的情况下，这个系统存在三种可能的跃迁过程，即在超精细能级之间的α型跃迁，其跃迁频率ω0与B0成正比，在射频范围有ω0=|γ|B0；在两个不同次能级之间的β型跃迁，跃迁频率在微波范围；发生在基态与激发态之间的δ型跃迁，其跃迁频率落在近红外范围。
光泵磁共振是利用α、δ两种辐射跃迁。
2、光抽运效应由于光的电场部分的作用，一定频率的光可以激发原子间的跃迁。
已知铷原子52P1/2→52S1/2跃迁时产生D1线，波长为794.8nm，52P3/2→52S1/2的跃迁产生D2线，波长为780nm。
当用入射光为左旋圆偏振的D1光（即D1σ+光）照射87Rb时，52S1/2态的原子会跃迁到52P1/2态的有关塞曼子能级上。
这个过程满足跃迁的选择定则：△L=±1；△F=0，±1；△m F=0；±1（对于左旋圆偏振光吸收的选择定则是△m F=—1），即基态上量子数为m F的原子，将吸收偏振光能量，跃迁到量子数为m F=+1的激发态能级上去，原子被激发至高能级后，又会通过自发辐射发射一定波长的电磁波，从而以几乎相等的几率落回到基态，这样在基态52S1/2中，m F=+2子能级上的原子不能吸收偏振光跃迁到激发态，即其跃迁几率是零。
由于落在基态m F=+2上的粒子不能向上跃迁，而落在基态其他子能级上的粒子继续吸收σ+光子向上跃迁，这样经过多次循环，基态m F=+2子能级上的粒子数会大大增加，可形象地认为有大量粒子被“抽运”到基态的m F=+2的子能级上，形成了所谓的“光抽运”效应。
光抽运的目的就是要使各子能级上的粒子数产生不均匀分布，即“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。
它是指在基态中其它超精细能级上的原子数逐渐减少，继续下去就会妨碍激发过程的进行，使对光的吸收慢慢停止，最终是光的吸收达到饱和，这时透过样品的光变得最强。
3、弛豫过程基态子能级上的粒子数在热平衡状态时遵从玻尔兹曼分布，此时各子能级上粒子数可近似地认为是相等的，子能级间的能量差也很小，考虑抽运的作用，各子能级上的粒子数会出现差异，从而使系统处于非热平衡分布状态转变为热平衡分布的过程。
失去偏极化的主要原因是由于铷原子与器壁碰撞，可采用在样品泡中充进缓冲气体的方法减少这种碰撞，以保持原子的高度偏极化。
但缓冲气体分子不可能将子能级之间的跃迁全部抑制，不能将粒子全部抽运到m F=+2的子能级上。
通常是光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数比玻尔兹曼分布造成的粒子差数要大几个数量级。
D1σ+光对85Rb的光抽运效应是将85Rb原子抽运到基态的m F=+3的子能级上。
4、磁共振与光检测在弱磁场中B0中，铷原子相邻塞曼子能级的能量差已由（13-5）给出。
为了破坏光的吸收达到饱和，保证激发过程能继续进行，在垂直于恒定磁场B0的方向加一角频率为ω的射频场B1，若该射频场的频率对应α跃迁，有：hω=△E= g FμB B0即：ω= g FμB B0/h （6）塞曼子能级之间将产生磁共振。
被抽运到m F=+2子能级上的大量粒子在射频场B1作用下产生感应跃迁，由m F=+2跃迁到m F=+1，进而跃迁到m F=0，…等基态中其它超精细能级上，这时δ吸收跃迁又可以继续进行了，透过样品的光通量又变小了。
同时，基态中处于非m F=+2子能级的原子又将被抽运到m F=+2子能级上，感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡，此时基态非m F=+2子能级上的粒子数大于没有共振时的粒子数，从而对D1光的吸收增大。
光检测技术就是利用磁共振时伴随有D1光强的变化，通过测D1光强的变化来实现共振信号的观测。
由于巧妙地将一个低频射频光子（1~410MHz）转换成了一个高频光频光子（108 MHz），这就使信号功率提高了7~8个数量级。
测量磁场B0时，可调节射频场的频率，观察透过样品后的强度，当透过的光最弱时，射频场的频率正对应α跃迁频率，即可求出B0。
三、实验装置本实验装置见图2。
使用高频无极放电铷灯作光源，它的稳定性好、噪音低、光强大。
进一步滤波片用以滤去D2光，偏振片可用常见的高碘硫酸奎宁片。
1/4波片可用厚度40μm 左右的云母片。
透镜L1使D1光变为平行光。
透镜L2把透过样品泡的平行光会聚到光电接收器上。
产生水平方向磁场的亥姆霍兹线圈的轴线应与地磁场水平分量方向一致。
扫场用三角波或方波，要与示波器的扫描同步。
亥姆霍兹线圈产生的垂直方向的磁场用以抵消地磁场的垂直分量。
射频线圈放在样品泡两侧，产生的射频场B1与B0方向垂直。
射频信号可用信号发生器产生。
玻璃的样品泡内充有天然铷以及缓冲气体。
把它置于温度在30~70℃范围可调的恒温室中，恒温时温度波动要求小于±1℃。
光检测器由光电接收元件及放大电路组成。
光电接收元件可用光电管或光电池，光电池把光信号转化为电信号，经放大就可以在示波器上显示。
当示波器的灵敏度高于500μV/cm，可不加放大器，直接观察光电池输出的信号。
四、实验步骤及内容：1、准备：在装置加电之前，先应进行主体单元光路的机械调整（见本说明书安装和调整部分）。
再借助指南针将光具座与地磁场水平分量平行搁置。
检查各联线是否正确。
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。
2、观测光抽运信号扫场方式选择“方波”，适当调大扫场幅度。
再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。
预置垂直场电流为0.07A左右，用来抵消地磁场垂直分量。
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7所示）幅度最大。
再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。
3、观测光磁共振谱线3.1 测量g因子扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.246A（水平电流0.246、0.2、0.18A三组数）。
并使水平磁场方向（按动“水平”按钮可改变它）与地磁场水平分量和扫场方向相同（由指南针来判断）。
垂直场的大小和偏振镜的角度保持6.2.2节的状态（不动原设置）。
调节射频信号发生器频率，调节扫场幅度适当减小，可观察到共振信号，对应图8.a 波形，可读出频率V 1及对应的水平场电流I 。
，再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。
仍用上述方法（如图8.b 所示），可得到V 2。
这样，水平磁场所对应的频率为V=（V 1+V 2）/2，即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。
水平磁场B 的数值可从水平场电流及水平亥姆霍兹线圈的参数来确定（亥姆霍兹线圈轴线中心处磁场的公式见附录）。
由公式：B g hv F 0μ= （1）Bhvg F 0μ=（2） 可计算出g 因子。
式中：μ0—玻尔磁子；μ0=μB =9.27×10-24J/T h —普朗克常数；h =6.63×10-34J ·S v —共振频率（信号源的） 3.2 测量地磁场同测g 因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得v 1。
再按动扫场及水平场方向开关，使扫场和水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到v 2。