实验十九光磁共振讲义

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1、实验十九光磁共振一般的磁共振技术，无法进行气态样品的观测，因为气态样品浓度比固态或液态样品低几个数量级，共振信号非常微弱。光泵磁共振是把光抽运，磁共振和光探测技术有机的结合起来，以研究汽态原子精细和超精细结构的一种实验技术。光抽运（OpticalPumping）又称光泵是二十世纪五十年代初由法国物理学家A.Kastler等人提出的，由于他在光抽运技术上的杰出贡献而获1966年诺贝尔物理学奖。光磁共振(光泵磁共振)是利用光抽运（OpticalPumping）效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振

2、。研究的对象是碱金属原子铷（），天然铷中含量大的同位素有两种：占72．15％，占27．85％。光抽运就是用圆偏振光激发汽态原子，以打破原子在所研究能级间的热平衡的玻耳兹曼分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。光磁共振采用光探测方法，即探测原子对光量子的吸收而不是采用一般磁共振的探测方法：即直接探测原子对射频量子的吸收。因为光量子能量比射频量子能量高几个数量级，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、因子、能级结构、能级寿命、塞曼分裂、原子间相互

3、作用等的认识，是研究原子结构的有力工具，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。【实验目的】1.了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术。2.测量汽态铷原子和的因子。3.学习测量地磁场的方法。【实验仪器】光磁共振实验仪、信号发生器、示波器、频率极和指南针等。【实验原理】光泵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。本实验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。所研究的对象是铷（）的汽态自由原子。1.铷（）原子能级的超精细结构和塞曼分裂铷（）是一价

4、碱金属原子，原子序数为37，天然铷有两种同位素：铷（72.15%）和（27.85%）。铷原子的基态是，最低激发态是及双重态，是电子的轨道角动量与自旋角动量耦合而产生的精细结构。由于是LS耦合，轨道角动量与自旋角动量耦合成总的角动量J＝，，…，︱︱。对于铷原子的基态，电子的轨道量子数＝0，自旋量子数S=1/2，故J＝l／2；其最低激发态是及，轨道量子数＝1，自旋量子数S=1/2。13态J＝l／2；态J＝3／2。铷原子核自旋不为零，两个同位素的核自旋量子数也不相同。的=2/3，的=2/5。核自旋角动量为

5、与电子总角动量耦合成，得到原子的总角动量，有=+。由于耦合，原子总角动量的量子数F=I＋J，I＋J-1…，。故的基态F有两个值F=2及F＝l；的基态有F＝3及F＝2。这些由F量子数标定的能级称为超精细结构。在磁场中原子的超精细能级产生塞曼分裂（弱场时为反常塞曼效应），标定这些分裂能级的磁量子数，，…，，因而一个超精细能级分裂成2个能量间距基本相等的塞曼子能级，如图1所示。图1铷原子能级的塞曼分裂示意图设原子总角动量所对应的原子的总磁矩为，与外磁场相互作用能量为：（1）这正是超精细塞曼子能级的能量，式

6、中玻尔磁子，朗德因子(2)13其中(3)上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求的具体数值。由（1）式可知，相邻塞曼子能级之间的能量差为：（4）在弱磁场情况下，与成正比关系。若外磁场，则塞曼子能级简并为超精细结构能级。因而图1中把塞曼子能级绘为斜线。2.圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布，其分布规律为：由于各子能级的能量差极小，近似地对认为各个能级上粒子数是相等的。这就很不利于观察这些子能级之间的磁共振现象。光抽运的基础是光和原子之间的

7、相互作用。在磁场中，偏振光只能引起某些特定塞曼能级之间的跃迁。对于左旋圆偏振光即光，角动量为，根据角动量守恒定律，选择定则为ΔF=0，±1和Δ±1。而原子的态的塞曼子能级的最大值都为+2。因此，当用(794.8nm)的光照射时，不能激发基态时中能级上的原子向上跃迁。而基态中其余能级上的原子则可以吸收的光而跃迁到的各塞曼子能级上。即光只能把基态除以外各子能级上存在的原子激发到的相应状态上，见图2。13（a）基态粒子吸收的受激跃迁，得粒子跃迁概率为零（b）激发态粒子通过自发辐射退激回到基态各子能级图2受

8、光照跃迁与返回基态示意图然而，跃迁到上的原子在经过大约秒以后，将自发地跃回基态，在向下跃迁时，发出的光子可以有各种角动量（、和光），选择定则为ΔF=0，±1和Δ0，±1，故基态各子能级以几乎相等的几率接受到这些返回的粒子，子能级也不例外。由于落在基态上的粒子不能向上跃迁过程，这样每次吸收——自发辐射的循环，基态能级上的粒子数就会多一些，当继续用光照射原子，经过若干循环之后，大量粒子被“抽运”到的子能级上，破坏了原来有的平衡分布，这时我们说样品的原子系统发生了“偏极化”