光磁共振实验.doc

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1、光泵磁共振光泵磁共振的基本思想是卡斯特勒（A.Kastlar）在50年代提出的，它是利用光抽运（0pticalpumping）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。这个磁共振信号是非常弱的，而本实验应用了光泵的光检测的方法，使磁共振分辨率高（可达10-11T）的优点得到了保持，同时还能将探测灵敏度至少提高10个左右数量级。此方法不仅可以用于基础性研究，对于其它实用测量技术方面也有广泛的应用。实验中是以天然铷（Rb）为样品，研究碱金属铷原子基态光磁双共振。一、实验目的（1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超

2、精细结构、光跃迁及磁共振的理解。（2）测定铷同位素85Rb和87Rb的gF因子、地磁场垂直和水平分量。实验重点：实验装置中磁场的作用。实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量二、实验原理光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。1、铷原子基态和最低激发态的能级天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。由于电子轨道总角动量PL

3、与自旋总角动量PS的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，

4、L—S

5、。铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量PJ与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–gJePJ/（2me）（1）J（J+1）—L（L+1）+S（S+1）gJ=1+───────────────（2）2J（J+1）但铷原子的核

6、自旋I≠0。所以核自旋角动量PI与电子总角动量PJ耦合成原子总角动量PF，有PF=PJ+PI，耦合后的总量子数是F=I+J，…，

7、I—J

8、。87Rb的基态J=1/2、I=3/2，有F=2和F=1两个状态。85Rb的基态J=1/2，I=5/2，则有F=3和F=2两个态。把F量子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量PF与总磁矩μF之间的关系（见本实验附录）为：μF=–gFePF/（2me）F（F+1）+J（J+1）—I（I+1）gF=gJ───────────────（3）2F（F+1）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子

9、数mF标定。mF=F，F—1，…，（—F），即分裂成2F+1个塞曼子能级。在磁场中铷原子基态和最低激发态的能级如图13-1所示。原子总磁矩μF与磁场B0相互作用能为（诸圣麟，1979）：eeE=—μFB0=gF──PFB0=gF──mFB0h（4）2me2meee分别令：μB=──h（玻尔磁子）和γ=—gF──（旋磁比），则有：2me2meE=—γmFhB0=gFmFμBB0由此可知外磁场为B0时，相邻塞曼子能级之间的能量差为：△E=gFμBB0（5）可见在此磁场中△E与B0成正比，当B0=0时，各塞曼子能级简并为原来的超精细能级。对在弱磁

10、场B0的情况下，这个系统存在三种可能的跃迁过程，即在超精细能级之间的α型跃迁，其跃迁频率ω0与B0成正比，在射频范围有ω0=

11、γ

12、B0；在两个不同次能级之间的β型跃迁，跃迁频率在微波范围；发生在基态与激发态之间的δ型跃迁，其跃迁频率落在近红外范围。光泵磁共振是利用α、δ两种辐射跃迁。2、光抽运效应由于光的电场部分的作用，一定频率的光可以激发原子间的跃迁。已知铷原子52P1/2→52S1/2跃迁时产生D1线，波长为794.8nm，52P3/2→52S1/2的跃迁产生D2线，波长为780nm。当用入射光为左旋圆偏振的D1光（即D1σ+光）照射8

13、7Rb时，52S1/2态的原子会跃迁到52P1/2态的有关塞曼子能级上。这个过程满足跃迁的选择定则：△L=±1；△F=0，±1；△mF=0；±1（对于左旋圆偏振光吸收的选择定则是△mF=—1），即基态上量子数为mF的原子，将吸收偏振光能量，跃迁到量子数为mF=+1的激发态能级上去，原子被激发至高能级后，又会通过自发辐射发射一定波长的电磁波，从而以几乎相等的几率落回到基态，这样在基态52S1/2中，mF=+2子能级上的原子不能吸收偏振光跃迁到激发态，即其跃迁几率是零。由于落在基态mF=+2上的粒子不能向上跃迁，而落在基态其他子能级上的粒子继续

14、吸收σ+光子向上跃迁，这样经过多次循环，基态mF=+2子能级上的粒子数会大大增加，可形象地认为有大量粒子被“抽运”到基态的mF=+2的子能级上，形成了所谓的“光抽运”效应。光抽运