光磁共振实验预习报告

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1、光磁共振实验预习报告摘要：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。关键字：卡斯特勒、光抽运、塞曼分裂、铷原子、朗德g因子引言：光磁共振由法国物理学家Kastler在1950年首创的。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

2、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。把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来，由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验中应用了光探测的方法，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。此方法可用于基础物理研究，在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值。由于光磁共振的应用价值，Kas

3、tler获得了1966年的诺贝尔奖。正文：光泵磁共振利用光抽运效应来研究电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，而不是像一般的磁共振直接探测原子对射频量子的吸收，因而大大提高了探测灵敏度。光泵磁共振进一步加深人们对原子磁矩、g因子、能级结构、能级寿命、塞曼分裂、原子间相互作用等的认识，是研究原子结构的强有力的工具，而光抽运技术在激光、原子频标和弱磁场测量等方面也有重要应用。本实验的目的是了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量气体铷（Rb）原子

4、的g因子和地磁场。一、光磁共振的发展1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒（AlfredKastler，1902—1984），以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。　　二十世纪上半叶，光谱学的研究提供了大量有关原子分子结构的实验数据。由于雷达技术的发展，在四十年代末兴起了射频和微波波谱学。这些频段的电磁波，其频率要比可见光小上千倍，所产生的光子能量比光频光子的能量小得多，因此可以直接测量到原子的精细能级和超精细塞曼子能级之间的共振跃迁。人们把这个频段的电磁波称

5、为赫兹波，把微波或射频共振称为赫兹共振。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”。4卡斯特勒1902年5月3日出生于法国阿尔萨斯省的盖布维莱尔，1920年进法国高等师范学校学习。布洛赫教授教他量子物理学，对他的发展有深刻的影响。布洛赫还让他阅读索末菲的名著《原子结构和光谱线》。在读这本书的过程中，卡斯特勒对电磁辐射和原

6、子相互作用中的角动量守恒特别感兴趣。他注意到用角动量守恒可以说明塞曼效应中磁量子数的选择定则和偏振规律，并深刻领会到角动量守恒定律可能是自然界的一条普遍法则，但是，这个结论必须是在广泛验证之后，而不能想当然。从此卡斯特勒铭记在光谱学研究中要注意应用角动量守恒定律。　　1926年卡斯特勒从高等师范学校毕业，随后到外地当了五年中学教师。1931年波尔多大学的道利教授请他当实验室助手，于是他就成了一名实验研究人员。在实验中他主要从事荧光和拉曼光谱研究，在研究中系统地检验了光散射和荧光过程中角动量守恒定律

7、的普适性。1936年他以《汞原子逐步受激》为题，通过了博士论文的答辩。1941年回到高等师范学校，负责实验室工作。　　1947年兰姆和雷瑟福用波谱学方法测定氢原子精细结构的兰姆位移，1949年美国的比特（F.Bitter）指出，可把射频波谱技术扩展到原子激发态的研究中。在这以前，磁共振实验一般是在凝聚态中粒子处于热平衡的状态下进行的，激发态的磁共振则从未有人做过。卡斯特勒认为这是一项很好的建议，但关键在于如何实现。他找到了一个有效方法，就是利用偏振光对恒定磁场中的气态原子或分子作用，有可能实现激发

8、态塞曼子能级产生选择跃迁。卡斯特勒一方面派自己的学生布洛塞尔（J.Brossel）去美国向比特学习；另一方面加紧在实验室里开展独立研究。1950年布洛塞尔和比特按照卡斯特勒的思想做成了第一个光磁共振实验，不过还不能探测原子的定向。　　这一年卡斯特勒又提出，用圆偏振光激发原子，使原子的角动量发生变化，就可以使原子集中在基态的某一能级上，也就是改变原子在基态某一子能级的集居数。他把这种方法称为光抽运。　　不久，布洛塞尔从美国回来，师生两人合作研究光磁共振。他们用钠的D1谱线激发处于恒定