光泵磁共振实验报告

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1、1、前言和实验目的前言：光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破，使用探测磁共振信号的光探测方法，大大提高了灵敏度。这是在1950年，法国物理学家卡斯特勒(A.Kasslte1902～1984)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。卡

2、斯特勒因此荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。目前此方法，一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子、分子间各种相互作用进行实验研究，另一方面在量子频标，精确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，发展出两种精密仪器，原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。本实验是以天然铷()为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。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()原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子和地磁场强度。2、实验原理天然铷含量较大的有两种同位

3、素：占72.15%,占27.85%。铷原子的基态为，最低激发态为及双重态，所以从5P到5S的跃迁就能观察到精细结构。同时，我们又知道原子核也存在自旋，因此也就存在核磁矩与电子自旋及轨道磁矩的相互作用，是能级进一步分裂，也就产生了超精细结构。设核量子数为I，则耦合后的总量子数为F=I+J,…,

4、I-J

5、。又的I=3/2，的I=5/2，所以的基态F有两个值F=2及F=1；的基态F有两个值F=3及F=2。原子总角动量与总磁矩的关系为：其中为铷原子超精细结构的朗德因子：而。磁矩的分裂在外磁场中就表现为能级上的分裂，即塞曼分裂。磁量子数=F，(F-1)，……，(-F)，即分裂成2

6、F+1个能量间距基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子能级之间的能量差为：在热平衡条件下，各能级的粒子数遵守玻耳兹曼分布，其分布规律为：而超精细结构的塞曼子分裂能级相差很小，导致各子能级上的粒子数基本上可认为是相等的，因此我们采用光抽运的方法，使能级原子数分布偏离玻耳兹曼分布，即使粒子数分布在某一能级偏极化。假设我们用能使原子从态跃迁到态的左旋圆偏振光作用在样品上，则能产生=±1的跃迁，如下图所示：(a)基态粒子吸收的受激跃迁，=+2的粒子跃迁概率为零(b)激发态粒子通过自发辐射退激回到基态各子能级由图可知该圆偏振光能把除=+2以外各子能级上的原子激发到的相应子能级上，而向下

7、辐射跃迁时则是概率相等的，因此进过若干循环后基态=+2能级上的粒子数会大大增加，也即大量的粒子被抽运到基态=+2的子能级上，这就是光抽运。当粒子被抽运到=+2上时，由于其他能级粒子数减少，将会使其对圆偏振光的吸收减小，而这时若加一个能使电子从=+2向=+1跃迁的射频场，则能将处于被抽运到=+2上的粒子在运回=+1，再继续被抽运，从而使感应跃迁与光抽运达到一个动态的平衡，产生磁共振时≠+2各子能级上的粒子数大于不共振时，因此对光的吸收增大，故可以通过对对光的吸收强度的变化判断是否产生了磁共振，而光的能量远大于射频场的能量，这样就提高的实验的精度，可以使信号功率提高7~8个

8、数量级。另外从非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程叫做驰豫过程。在试验中为了保持原子分布的偏极化，我们必须要抑制驰豫过程。3、实验器材本实验系统由主体单元、电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，其中主体单元为实验装置的核心由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。4、注意事项1.实验过程中要选择扫场的同一点作为参考点,最好是峰点或谷点.2.实验中要用黑布盖住主体单元,以免其他杂乱信号的干扰.5、实验数据、实验数据处理、计算结果和估算不确定度等。1．测量超精细结构所得的实验数据如下：1234567891011I/A0.0250.0

9、650.1070.1440.1880.2140.2560.2930.3210.3610.402v1/kHz37043853459670076683992499210741167v2/kHz16331808195220462130230224442570266227812879对于，用excel线性拟合得一下结果：得斜率k=2132.1，而，其中N=250，r=0.2405m。从而得到的超精细结构的朗德因子。又精细结构朗德因子的理论值为,从而超精细结构的理论值为=1/3，所以相对误差为对于，进行线性拟合得一下结果：得斜率k2=3335.3，