7-7光泵磁共振

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1、7-7光泵磁共振实验赵滨华光磁共振，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,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。所研究的对象是碱金属原子铷Rb。天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb占27.85%，85Rb占72．15%。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。此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价

2、值。通过实验可加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。一．实验目的：1、了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象。2、测量铷（Rb）原子的因子及地磁场的大小。二．实验原理：1、铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素:85Rb和87Rb,二者的比例接近2比1。它们的激态都是52S1/2，即电子的主量子数n=5，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量量子数J=1/2（L—S耦合）。在L—S耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L=1，自

3、旋量子数S=1/2，电子的总角动量J=L+S和L-S，即J=3/2和1/2，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm（见图7-7-1）。通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ，与此相联系的核外电子的总磁矩mJ为：其中就是著名的Longde因子，m是电子质量，e是电子电量。　　原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量PI11和核外电子的角动量PJ耦合成一个更大的角

4、动量，用符号PF表示，其量子数用F表示，则与此角动量相关的原子总磁矩为其中在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量其中称为玻尔磁子，ＭＦ是ＰＦ的第三分量的量子数，ＭＦ＝－Ｆ，－Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值。我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随ＭＦ变化，原来对ＭＦ简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个Ｆ能级分裂成２Ｆ＋１个子能级，相邻的子能级的能量差为　　　　我们来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋，85Rb的核自璇，因此，两种原子的超精细分裂将不同。我们以87Rb为例

5、，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂（如图7-7-1所示）。11图7-7-187Rb原子能级超精细分裂对于电子态52S1/2，角动量PJ与角动量PI耦合成的角动量PF有两个量子数：F=I+J和I-J，即F=2和1。同样，对于电子态52P1/2，耦合成的角动量PＦ也有两个量子数：Ｆ＝２和１。对于电子态５２P3/2，耦合后的角动量PＦ有四个量子数：Ｆ=3，2，1，0。我们可以画出原子在磁场中的超精细分裂情况，如图7-7-1所示。由于实验中D2线被滤掉，所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。实验

6、中，我们要对铷光源进行滤光和变换，只让D1σ+(左旋圆偏振光)光通过并照射到铷原子蒸气上，观察铷蒸气D1σ+对光的吸收情况。我们要指出的是：１）从常温对应的能量kBT来衡量，超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根据玻尔兹曼分布：由52S1/2分列出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。２）如果考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的D1σ+11光实际包含了连续频率的光，这些光使得D1线有一定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰

7、富的谱线。2、光磁共振跃迁处于磁场环境中的铷原子对D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则；根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图7-7-2所示。图7-7-287Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁我们看到，5S能级中的8条子能级除了MF=+2的子能级外，都可以吸收D1σ+光而跃迁到5P的有关子能级，MF=+2的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也没有条件往低能级跃迁，所以这些原子数是不变的；另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级，发出自然光，跃迁选择定则是：；相应的跃迁见图7-7-2的

8、右半部分。我们注意到，退激跃迁中有一部分的状态变成了5S能级中的MF=+2的状态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P去的，那些回到其它7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P能级。当光连续照着，跃迁5S5P5S5P…这样的过程就会持续下去。这样，5S态中子能级上的原子数就会越积越多，而其余７个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D1σ+11光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原