光磁共振实验报告

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1、近代物理实验报告光磁共振班级物理081学号08180140姓名周和建时间2011年4月27日【摘要】以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法，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87Rb和85Rb的超精细结构塞曼子能级的朗德因子的测量。【关键词】光磁共振光抽运塞曼能级分裂超精细结构【引言】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”。光磁共振方

2、法现已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。利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。【正文】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对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属，它和所有的碱金属原子Li、Na、K一样，在紧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

3、，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（即L－S耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。轨道角动量Ps、的合成角动量PJ=PL+PS。原子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=0和S=1/2,因此Rb基态只有J=1/2。其标记为５２S1/2。铷原子最低激发态是52P1/2及52P3/2双重态。这是由于轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。52P1/2态的J=1/2,52P3/2态的J=3/2。５Ｐ与５Ｓ能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第１条线，

4、为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。52P1/2→５２S1/2跃迁产生波长为7947.6?的D1谱线，52P3/2→５２S1/2跃迁产生波长7800?的D2谱线。原子的价电子在LS耦合中，总角动量PJ与原子的电子总磁矩μJ的关系为　　　　　　　　　　(1)(2)gJ是朗德因子，J、L和S是量子数。核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述原子的电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。这附加分裂称为超精细结构。铷元素在自然界中主要有两种同位素，Rb87占27.85%,Rb85占72.15%。两种同位素铷核的自旋量子数I是不同的。核自旋角动量PI与电子总角动量PJ耦合

5、成PF,有PF＝PI＋PJ。JI耦合形成超精细结构能级，由F量子数标记，F=I+J、…,│I-J│。Rb87的I=3/2,它的基态J=1/2,具有F=2和F=1两个状态。Rb85的I=5/2，它的基态J=1/2，具有F=3和F=2两个状态。                           整个原子的总角动量PF与总磁矩μF之间的关系可写为                                                      (3)其中的gF因子可按类似于求gJ因子的方法算出。考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，μF实际上为μJ在

6、PF方向的投影，从而得                                          (4)gF是对应于μF与PF关系的朗德因子。以上所述都是没有外磁场条件下的情况。           如果处在外磁场B中，由于总磁矩μF与磁场B的相互作用，超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数MF来表示，则MF=F,F-1,…,-F，即分裂成2F+1个子能级，其间距相等。μF与B的相互作用能量为                   (5)式中μB为玻尔磁子。Rb87的能级、Rb85的能级见图，为了清楚，所有的能级结构图均未

7、按比例绘制。各相邻塞曼子能级的能量差为                         (6) 可以看出△E与B成正比。当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来能级。           （二）增大粒子布居数之差，以产生粒子数偏极化气态Rb87原子受D1σ╋左旋偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则                 △F=0,±1         △MF=+1   在由５２S1/2能级到52P1/2能级的激发跃迁中，由于σ╋光子的角动量为+h，只能产生△MF=+1的跃迁。基态MF=+2子能级上原子若吸收光子就将跃迁到MF=+3的状态，但52

8、P1/2各子能级最高为MF=+2。因此基态中MF=+2子能级上的粒子就不能跃迁，