光磁共振实验

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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。

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

52 P3/ 2
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/

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

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。

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 =。

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。

实验报告_光磁共振(样例)

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
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

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 。

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

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。

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。

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。

光磁共振试验

近代物理实验补充讲义A （三）光磁共振实验实验目的● 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； ● 铷同位素87Rb 和85Rb 的郎德因子F g 测定；● 地磁场测定。

实验原理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赫兹共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔物理奖。

1. 铷原子的超精细结构及塞曼分裂铷是一价碱金属原子，天然铷中含有两种同位素：87Rb 和85Rb 。

根据LS 耦合产生精细结构，它们的基态是52/12S ，最低激发态是52/12P 和52/32P 的双重态。

对87Rb ，-2/125P 2/125S 跃迁为D 1线（λ1=794.8nm ）;-2/325P 2/125S 为D 2线（λ2=720.0nm ）。

铷原子具有核自旋I ，相应的核自旋角动量为I P ，核磁距为I μ。

在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即I P 和J P 耦合成总角动量F P , F 为总量子数：F=I+J,...|I-J|。

对87Rb ，I=3/2，因此87Rb 的基态有两个值：F=2和F=1。

对85Rb ，I=5/2，因此85Rb 的基态有两个值：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之间的关系为：F FF P meg 2-=μ (1))1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF(2)其中 )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 。

光磁共振实验

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