铷原子基态与最低激发态的形成
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 。
原子结构知识：的基态和激发态原子
原子结构知识：的基态和激发态原子原子结构是一门重要的物理学科，它研究原子的组成和性质，探究原子对化学、光谱和电子学等领域的影响。
原子结构的一个重要概念是基态和激发态原子，这两种状态让我们更好地理解原子的性质和行为。
基态原子是指原子处于能量最低的状态，也就是所有电子都处于它们可能存在的最低能级中的状态。
在这种状态下，原子的各个部分都稳定地排列在一起，不会发生任何变化。
基态原子是原子结构的基础，也是化学中分子和化合物的形成基础。
激发态原子是指原子处于能量高于基态的状态。
在激发态原子中，至少有一个电子不在它可能存在的最低能级中，而是被加入到更高能量的带中。
这个状态会带来很多不同的化学和物理变化，比如光谱、原子核反应和电离。
激发态原子的能量分级由电子组成的电子能级确定。
当原子吸收光或其他形式的能量时，某些电子可以从低能量的能级跃迁到高能量的能级。
在原子处于激发态时，它处于一个不稳定的状态，因为电子在高能级的能量带中存在的时间非常有限。
为了返回基态，电子必须排放出它吸收的能量，通常以光的形式释放出来。
这种现象被人们称为“发射光谱”。
发射光谱的性质有助于确定原子的化学成分和结构。
每个化学元素都有不同的光谱特征，这意味着当一个元素被加热或激发时，它会发射出一系列特定的光谱线，帮助科学家们识别和测量它。
利用这种方法，科学家们可以开发出各种工具和技术来识别和分析物质，例如质谱法和荧光光谱法。
在化学和物理领域，激发态原子的各种变化都是非常重要的。
这些变化不仅是化学反应发生的动力学驱动力，还可以用于生产新的材料和分析化学和生化学变化的机制。
使用激发态原子还可以制造各种设备，例如制造激光的激光器和在化学实验室中分析和识别物质的工具。
尽管激发态原子是具有实际应用的重要科学基础，基态原子仍是原子结构的基础。
基态原子的性质决定了它们对分子和化合物中带有自己固有物理性质的化学键的形成方式。
基态原子的行为在化学中起着重要作用，比如确定分子的空间结构，影响反应的动力学和热力学行为。
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Jμ的关系为：J J J e g P 2m μ=-（1）J J(J 1)L (L 1)S(S 1)g 12J(J 1)+-+++=++ （2）I ≠0时，Rb 87 I = 3/2，Rb 85I = 5/2。
设核自旋角动量为IP ，核磁矩为I μ，IP 与JP 耦合成FP ，有FP =IP +JP 。
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。
现代物理试验
实验一 塞 曼 效 应塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子 化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M ，J 和g 因子的值，有力地证明 了电子自旋理论，各高等院校都普遍开设了此实验。
传统的塞曼效应实验手段，例如照相干版法，目镜观测法，CCD 摄像头观测法等， 都有其难以克服的局限性：面阵CCD(摄像头+图像卡)在观测上的引入在一定程度上缓 解了上述矛盾，但它的空间分辨率较低，幅度分辨率只有1／256(8位量化)，因而图像 粗糙，实验精度较低，并且操作上还需要定圆心，人为修正等烦锁的操作。
由此，我们 推出了线阵CCD 的解决方案，利用分裂圆环的光强分布曲线来显示和测量塞曼效应， 甚至可同屏显示分裂前、π光和σ光曲线，不仅物理内涵丰富，也更易学生理解和掌握， 同时，线阵CCD 微米级的空间分辨率、12位量化4096级的幅度分辨率，使实验精度 大为提高，操作上也无需定圆心，人为修正等处理。
本实验由硬件和软件（祥看说明书）两部分组成。
本套仪器的硬件部分主要由三个部分组成：CCD 采集盒、计算机数据采集盒和成像透镜部分。
各部分连接示意图图1如下：图1仪器的硬件部分组成1． CCD 采集盒的核心器件是一个数千像元的CCD 线阵，它可以将照射在其上的光强信号转化为模拟电信号，实时送往计算机数据采集盒。
每一个CCD 线阵具体的指标参数，请详见其CCD 采集盒上的铭牌。
2． 计算机数据采集盒将由CCD 采集盒送来的光强模拟电信号经12位A ／D 转换后量化为4096级数字信号，交给ZEEMAN 软件处理。
它通过USB 接口与计算机相连。
3．成像透镜部分由遮光罩和成像透镜组成。
前端仪器产生的光信号经过成像透镜会聚，在CCD 线阵上产生实像，从而进行光／电变换。
一、 实验目的1．掌握塞曼效应理论，确定能级的量子数与朗德因子，绘出跃迁的能级图； 2．掌握法布里-珀罗标准具的原理及使用； 3．熟练掌握光路的调节：4．了解线阵CCD 器件的原理和应用。
3.光磁共振实验预习报告
光磁共振实验预习报告【摘要】光磁共振是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构塞曼能级间的磁共振。
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。
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，进而测定铷原子两个同位素Rb 87或Rb 85的超精细结构塞曼子能级的朗德因子g 的测量。
【关键字】光磁共振 精细结构 铷原子 朗德因子 【引言】光磁共振是“激光之父”卡斯特勒提出并实现。
它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman 能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann 分布。
然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动，使光的抽运速率变化。
通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构。
由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观察。
1950年卡斯特勒(A.Kastler)提出了光抽运方法（又称光泵），使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖。
【正文】 一、实验原理1. 铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。
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。
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S L 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。
光泵磁共振实验报告
相邻塞曼子能级之间（ ）的能极差为
2、圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应
电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光刻引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光时，量子力学给出的跃迁定则为 ， ， （角动量守恒）。 的 态及 态的磁量子数 最大值都是+2，当入射光是D1的 光时由于只能产生 的跃迁，基态 的子能级的粒子不能跃迁。当原子经历无辐射跃迁过程从 回到 时粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态 的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态 的子能级上，这就是光抽运效应。各子能级上粒子数的这种远远偏离玻尔兹曼分布的不均匀分布称为“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进行磁共振实验。
Rb原子的基态， 和 ，因此 基态只有 ，标记为 ；其最低激发态是 和 。在第一激发能级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，谱线是双线。 到 的跃迁产生的谱线是D1线，波长是794nm； 到 的跃迁产生的谱线是D2线，波长是780nm。
在核自旋 时，原子的价电子L-S耦合后总角动量 与原子的总磁矩 的关系为
原理
1、铷(Rb)原子基态及最低激发态的能级
实验研究的对象是Rb的气态自由原子。Rb是碱金属原子，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子，价电子处于第5壳层，主量子为 。主量子数为n的电子，其轨道量子数 。基态的 ，最低激发态的 。电子还具有自旋，电子自旋量子数 。由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。轨道角动量 与自旋角动量 的合成总角动量 。原子能级的精细结构用总角动量量子数J来标记，
基态与激发态分类标准
基态与激发态分类标准
基态和激发态是描述原子或分子状态的两种能量状态。
基态是指原子或分子处于最低能量状态，而激发态则是指原子或分子吸收能量后跃迁至较高能级时的状态。
对于原子或分子，其基态和激发态的分类标准主要取决于其能量状态。
一般来说，最低能量状态下的原子或分子称为基态，而吸收能量后跃迁至较高能级时的状态称为激发态。
在多电子原子的电子排布中，各能层最多容纳的电子数为2n2（n 为能层序数），最外层不超过8个电子，次外层不超过18个电子，倒数第三层不超过32个电子。
这些能层序数与容纳电子数之间的规律性关系，有助于理解和预测原子或分子的能量状态。
总之，基态和激发态是描述原子或分子状态的两种能量状态，其分类标准主要取决于其能量状态。
能量最低原理、基态与激发态、光谱
按照构造原理将电子依次填充到能量逐渐升 高的轨道中。例如，7N：1s22s22p3,17Cl： 1s22s22p63s23p5。
(2)复杂原子的核外电子排布式
先按能量从低到高排列，然后再把同一层的 电子排到一起，如26Fe，先按能量从低到高 排列为1s22s22p63s23p64s23d6，然后，将同 一层的电子移到一起，即 1s22s22p63s23p63d64s2。
②与Ne原子电子层结构相同的离子有：F－、 O2－、N3－、Na＋、Mg2＋、Al3＋。
③与Ar原子电子层结构相同的离子有：Cl－、 S2－、P3－、K＋、Ca2＋。
2．核外电子总数为10的粒子
①阳离子：Na＋、Mg2＋、Al3＋、NH4＋、 H3O＋。 ②阴离子：N3－、O2－、F－、OH－、NH2－。 ③分子：Ne、HF、H2O、NH3、CH4。 3．核外电子总数为18的粒子
3．原子轨道的表示式
(1)泡利原理：1个原子轨道最多只能容纳2个电子，而 且这2个电子的自旋方向必须相反(用“↑↓”表示)。或者 说，在同一个原子轨道中，不可能有2个处于完全相同状 态的电子。例如，ns2的原子轨道上的电子排布为 ↑↓ ， 不能表示为 Nhomakorabea↑↑ 。
(2)洪特规则：当电子排布在同一能级的不同 轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且 自旋方向相同。
d．f轨道有7个伸展方向(7个轨道)。
说明：
①p能级的3个原子轨道互相垂直，在同一能 层中px、py、pz的能量相同。 ②不同能层的同种能级的原子轨道形状相似， 只是半径不同，能层序数n越大，电子的能量 越大，原子轨道的半径越大。例如，1s、2s、 3s轨道均为球形，原子轨道半径：r(1s)＜ r(2s)＜r(3s)。
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 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。
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。
怎么判断基态和激发态
怎么判断基态和激发态
基态是指在正常状态下，稿御原子处于最低能级，这时电子在离核最
近的轨道上运动的这种定态；激发态指原子或分子吸收一定的能量后，电
子被激发到较高能级但尚未电离的状态。
原子基态是指在原子当中，体系的不同由电子轨道刻画，不同的电子
轨道具有不同的能量，有一个电子绕核运动，有一些固定轨道可供它占有。
如果这个电子在围绕的半径最小轨道内，则原子的能量最低，称此为
原子的基态。
如电子在更大的半径上，则原子能量更高，处于激发态。
而
将一个电子从原子的基态移除所需要的能量称为游离能。
相关信息
氢原子的基态对应于氢原子中唯一电子可能的最低（即的球状1s轨道，它具有最低的）。
当能量被提供给原子（例如，通过吸收光子的能量），原子中的电子
可以被提升到激发态（它的量子数至少比最小的可能量子数多一个）。
如
果入射光子有足够的能量，电子就会被“撞前敬码出”束缚态，失去的原
子就会被电离。
被激发后，原子以特定能慧哪量发射的光子的形式回到较低能量的激
发态（或基态）。
不同激发态的原子发射的光子具有不同的电磁光谱，显
示出它们独特的光谱线（也称为“发射线”）。
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其中
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
——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：
Rb87 (27.85%), I 3 / 2 Rb85 (72.15%), I 5 / 2
核的自旋角动量表示为PI ，得原子总角动量： PF PI PJ
图所成
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
PL 电子轨道角动量
——朗德因子的引入
PS 和自旋角动量 PJ PL PS
的合成角动
量
uJ
电子总磁矩 u J g J 两者关系为
gJ 1
e PJ 2m
J ( J 1) L( L 1) S ( S 1) 2 J ( J 1)
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
其中F用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
——原子超精细结构的形成续
J Rb , I 3 / 2, J J 85 Rb , I 5 / 2, J
87
1 / 2, F 2,1 基态 3 / 2, F 3,2,1,0 1 / 2, F 2,1 3 / 2,...... 基态
——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。 M F F , F 1,..., F 这些能级用磁量子数来表示， ， 能级间距相同。
uF
和
B
相互作用能表示如下： E uF B g F M F BB
E g F B B
——精细结构的形成续
对于基态，L=0，S=1/2，
得J=1/2，标记为 ；
5P
2 5 S1/ 2 对于最低激发态， L=1，
52 P3/ 2
52 P 1/ 2
S=1/2，得J=3/2,1/2，标
2 记为 52 P , 5 P 3/ 2 1/ 2
，如右
5S
52 S1/ 2
D1
794.76nm
D2
780.0nm
B 能级间距为：
其中
为玻尔磁子。
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
—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 Rb87 后，根据光跃迁 选择定则，基态中 M F 2 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。
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 g 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。
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
—铷原子的能级分裂（精细结构的形成）
• 研究对象：铷（Rb）的气态自由原子，价电子
52 P3/ 2
……
MF
52 P1/ 2
F 2
F1
+2 +1 0 -1 -2 -1 0 +1 +2 +1 0 -1 -2 -1 0 +1
52 S1/ 2
F 2
F1
Fig.3 铷原子塞曼子能级的形成
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
——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。
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|
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
52 P3/ 2
52 P 1/ 2
……
e uF g F PF 2m
F ( F 1) J ( J 1) I ( I 1) gF gI 2 F ( F 1)
F 2
F1
52 S1/ 2
F 2
F1
Fig.2 铷原子超精细结构的形成
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
——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 的射频磁场，当满足
h gB B
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。
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
——光探测
照射到样品上的偏振光，起到了两个作用。
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
三、实验原理——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。
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
二、实验装置
射频信号 发生器 辅助源 电源 主体单元 示波器 Fig.4 光磁共振实验装置方框图
干涉滤光镜 铷光谱灯 偏振片 透镜 Rb 1/4波片 高频 振荡器 恒温槽 垂直磁场线圈 透镜 放大器 至示波器 光电池 光电探测器 水平磁场线圈 射频线圈
Fig.5 主体单元示意图
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
光泵磁共振
一、实验目的 二、实验仪器及设备 三、实验原理 四、实验内容 五、实验记录
六、实验结果分析
物 理 实 验 教 学 示 范 中 心
一、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。