近代物理实验论文 光泵磁共振实验及地磁场的测量.doc

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1、扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班姓名：钟浩鹏学号:130801131指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到御的朗德因子g。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算岀地磁场的水平分量大小。由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。Inthiscxperimcnt,wcadjustthe

2、horizontaimagneticfield,theverticalmagncticfieldandsweepingfieldobservedthepumpingsignalandopticalpumpmagneticresonancephenomenon.Bymeasuringthelevelofthecurrentvalueofthemagneticfieldandcalculatetherubidiumlandfactorg・Atthesametimethroughthegeomagneticfieldlevelcomponentt

3、othetotalmagneticfieldandsweepingfield,therelationshipbetweensizetocalculatethehorizontalcomponentofthegeomagneticfield・PutthedevicedeterminesthestrongestresonancesignalwhenPLDalongthehorizontaidirection,thustomeasurethesizeoftheverticalcomponentofgeomagneticfield,soastoha

4、vethesizeanddirectionofthemagneticfield.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构

5、。本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有两种同位素：85Rb（丰度为72.15%）、87Rb（丰度为27.85%）。二、实验原理1.锄原子基态和最低激发态的能级御（ZN7）是一价金属元素，天然挪中含暈大的同位素有两种：87Rb,占27.85%和85Rb,占72.15%。它们的基态都是52S1/2。5%5P5%5S5%、r1r794.76nm780.Onm图1Rb原子精细结构的形成在L—S耦合下，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，如图1

6、所示，它们的波长分别是794.76nm和780.Onm。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"丿为A=_gj「Pj2me式中J{J4-1)—L(jL+1)+S(S+1)g丿=]2J(J+1)是朗德因子，me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。核角动量弓和核外电子的角动暈"耦合成一个更大的角动量，用符号丘表示，其量子数用F表示，则P^P,+P,与此角动量相关的原了总磁矩为2叫_F(F+1)+丿(丿+1)-/(/+1)8f_8j2F(F+1)是对应于"f与'关系的朗德因子。在有外

7、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—•gffdE=~Pf'b=Sf-—PF'B=gF-—MFhB=gFMf/JbB2me2meehPb—》-其中2叫=9.2741xlO24J厂打尔为玻尔磁子，“尸是*在外场方向上分量的量子数，共有2F+1个值。可以看到，原子在磁场中的附加能量E随“尸变化，原来对“卩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再來看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋心3/2,85Rb的核自旋/=5/2,因此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87R

8、b为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂。I=fmFmK精细结构!鹦溉分裂［l7Rb图2^Rb原子能级超精细分裂错误!未指定书签。原子在磁场中的超精细分裂情况如图