光磁共振实验报告

近代物理实验报告

光磁共振实验

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时间 2014年3月22日

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=J J S S L L J J g J 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52S 1/2， 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）。

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 。 原子的价电子在LS 耦合中，总角动量P J 与总磁矩μJ 的关系为

J

J J P m e g

2-=μ

其中,称为郎德因子，m 是电子质量，e 是电子电量。核具有自旋和磁矩，核磁矩与上述电子的总磁矩相互作用会造成能级的进一步分裂，称为超精细结构。

原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。核角动量P I 和核外电子的角动量P J 耦合成一个更大的角动量，用符号 P F 表示，其量子数用F 表示，则

I J F P P P +=

与此角动量相关的原子总磁矩为F F F P m

e g

2-=μ 其中

)

1(2)

1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g J

F

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：

B M g B M m

e

g B P m e g B E B F F F F F F F μμ==⋅=⋅-=

22

其中m

e B 2

=

μ124102741.9--⨯=JT 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，

在磁场中，铷原子的超精细结构会产生塞曼分裂。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：F B E g B μ∆= 2、光的抽运

气态原子87Rb 受具有角动量的左旋圆偏振光照射时，处于磁场环境中的铷原子对+

σ1D 光的吸收遵从跃迁选择定则

1±=∆L 0,1±=∆F ； 1+=∆F M

在由2

125S 能级到2

12

5P 能级的激发跃迁中，由于+

σ1D 光子的角动量为π2h +只能产生

1+=M 的跃迁。因此，基态中2+=F M 子能级上的粒子就不能向上跃迁，

在由2

12

5P 到2

12

5S 的向下跃迁中（发射光子），1,0±=∆F M ，各子能级上的跃迁都是允许

的。经过多次上下跃迁，基态中2+=F M 子能级上的粒子数只增不减，这样就增大了粒子布居数的差别。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，

最后粒子都分布在基态2-=F M 的子能级上。原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子数增多，称为光抽运。光抽运的目的是要造成基态能级中粒子数的偏极化，实现了粒子数的偏极化后就可以在子能级间进行磁共振跃迁实验了。

3、磁共振和光检测

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ν，使之满足

B g h B F μν=

这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于2+=F M 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1+=F M 的子能级，

2+=F M 上的原子数就会减少；同样，1+=F M 子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”

跃迁到M F =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

2+=F M 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”。

粒子产生共振跃迁必然造成偏激化状态被破坏，从而会增大对+

σ1D 光的吸收，透过样品泡的+

σ1D 光必然减弱，只要检测透射光的强弱变化即保检测到共振信号，+

σ1D 光一方面起到光抽运作用，同时又起到检测共振信号的作用。光信号检测的方法巧妙地把一个频率很低的射频率量子转换为一个频率很高的光频量子的变化，使信号的功率提高了7-8个数量级，大大提高了信号的强度。 二、实验装置

主体示意图如下所示