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《光泵磁共振法测铷同位素的丰度》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、铷同位素丰度的测量论文作者：物理学院2008级7班陈楠32080708指导教师：吴金辉日期：2011年5月日摘要：根据光抽运、光磁双共振原理和光探测方法，利用拍得的共振谱线可以较准确的计算得到铷同位素的丰度值。关键字：光抽运、光磁共振、铷同位素、丰度比1实验原理1.1Rb原子的超精细结构及其塞曼分裂铷原子是一价碱金属原子，其基态及最低激发态的电子组态分别为1s22s22p63s23p63d104s24p65s1, 1s22s22p63s23p63d104s24p65p1原子序数是37，基态原子符号是52S1/2，在天然的Rb中含有两种同位素：⁸⁵Rb（72.15%）和⁸⁷R
2、b（27.85%），⁸⁵Rb的核自旋量子数I=5/2，⁸⁷Rb的核自旋量子数I=3/2.考虑到电子自旋与轨道相互作用（L-S耦合），Rb原子的基态S态是单重的，最低激发态P态在精细结构中是双重的，基态52S1/2的量子数为S=1/2,L=0,J=1/2;第一激发态52P1/2,3/2的量子数为L=1，S=1/2,J=1/2,3/2.从52P1/2→52S1/2谱线D1=794.8nm.考虑到铷原子具有核自旋，核自旋量子数为I.⁸⁷Rb具有核自旋量子数I=3/2,⁸⁵Rb具有核自旋量子数I=5/2.相应的核自旋角动量PI，磁矩µI，在弱磁场中核自旋角动量的耦合，即PI和PJ耦
3、合成总角动量PF，F为总量子数，F=I+J，…，
4、I-J
5、.原子总角动量PF与总磁矩µF之间的关系为其中对铷原子⁸⁷Rb基态52S1/2，量子数：S=1/2，L=0，J=1/2，I=3/2，F=1,2.⁸⁵Rb基态52S1/2，量子数：S=1/2，L=0，J=1/2，I=5/2，F=2,3.由量子数F标定的能级称为精细结构能级.在磁场B中，原子的超精细能级产生塞曼分裂.对一定F量子数的能级分裂成2F+1个能量间距相等的塞曼子能级，处于mF塞曼分裂能级处的附加能量为∆E=mFgFµBB,式中gF为朗德因子，µB为玻尔磁子，磁量子数mF的取值为F,F－1,…,-F,共2F+1个
6、.图1铷原子能级示意图1.2圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应一定频率的光能激发原子能级之间跃迁，在相互作用中，既要满足能量守恒，也要满足角动量守恒.对塞曼效应原子能级跃迁，mF选择定则通常是∆mF=0,±1，当用具有角动量的偏振光与原子相互作用，根据角动量守恒原理，原子吸收光子能量，也吸收了它的角动量.对于左旋偏振光σ+与原子相互作用，因为它具有单位角动量ħ，原子吸收光子，增加了一个角动量ħ值，则能级跃迁要符合∆mF=1的要求.同理，与右旋偏振光相互作用，能级跃迁要符合∆mF=-1的要求.⁸⁷Rb的52S1/2和52P1/2态的mF最大值都是+2，当入射光D1s＋（s＋
7、的角动量是ħ）时，由于只能产生∆mF=+1的跃迁，基态F=2，mF=2子能级的粒子不能跃迁，跃迁概率为零.由D1s+的激发而跃迁到激发态的粒子数可以通过自发辐射退激回基态.图287Rb光泵过程（a）87Rb基态粒子吸收D1σ+的受激跃迁，mF=2的粒子跃迁概率为零；（b）87Rb激发态粒子通过自发辐射退激到基态各子能级实验中铷灯光谱线经过干涉滤光片、1／4波片产生D1σ+光，由跃迁的选择定则σ+光只能把87Rb基态中除mF=+2(85Rb为mF=+3)以外各子能级上的原子激发到52P1／2的相应子能级上。由于自发辐射，激发态上的原子以几乎相等的几率落回到各基态能级上。当原子
8、经历无辐射跃迁过程从52P1/2返回52S1/2时，选择定则为∆L=±1，∆F=0,±1，∆m'F=0,±1，返回基态各子能级的概率相等，落在mF=+2能态上的原子不能吸收D1σ+光向激发态跃迁，而落在其他基态能级上的原子吸收D1σ+光继续向上跃迁，这样经过若干循环后，基态mF=2子能级上粒子数会大大增加（对于85Rb，基态mF=3子能级上的粒子数大幅度增加），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.在室温下,样品泡中Rb原子密度极低,热平衡时,基态各塞曼能级的间隔很小.因此,它们之间的粒子数差极低,用直接探测射频功率吸收来探测塞曼磁共振跃迁是很难行的
9、.用"光抽运”可使其态能级间产生较大的粒子数差,同时用“光检测”测量信号功率.各子能级上粒子数的这种不均匀分布叫做“偏极化”，光抽运的目的就是造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级只见得到较强的磁共振信号.σ－光有同样作用，它将大量的粒子抽运到mF=-2的子能级上.这里指出与对光抽运的作用相反.因此，当入射光为线偏振光（等量的σ+与σ－的混合）时，原子对光子有强烈的吸收，但无光抽运效应；当入射光为椭圆偏振光（不等量σ+与σ－的混合）时，光抽运效应较圆偏振光小；当入射光为π光（π光的电场强度矢量与总磁场的方向平行）时，
