光泵磁共振ppt课件.ppt

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1、光泵磁共振实验背景：对于固态样品，用核磁共振、电子自旋共振方法可以研究原子的精细结构、超精细结构及因磁场存在而分裂的塞曼子能级。因为固态样品的浓度大，共振较强。但是，对于气态样品，因为样品浓度较低，很难得到理想强度的共振信号，所以，要想透过上述方法研究原子的精细结构、超精细结构及塞曼分裂非常困难。上世纪50年代法国科学家卡斯特莱（Kastler）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成原子在各能级上的偏激化分布，这时再以相应频率的射频场激励原子使其产生磁共振，并采用光探测法

2、，使探测信号灵敏度有很大提高。这个方法的出现，不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。1966年，卡斯特莱（Kastler）因发现和发展了研究原子中核磁共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。光磁共振（OpticalPumping）是一个射频信号控制一个光信号的吸收过程。通过对光磁共振现象的观测，可以研究许多原子、分子能级的精细和超精细结构，可以精确测量多种（量子）参数。实验以铷（Rb）原子气体为样品，观察光抽运现象、光磁共振现象，测量gF因子等。【实验目的】1．了

3、解光磁共振的基本原理，观察光磁共振现象；2．掌握光抽运原理，观察光抽运现象；3．利用光磁共振方法测量铷元素基态的gF因子【实验原理】一.铷原子基础知识-----能级分裂及相关量子数二.铷原子价电子总磁矩、原子总磁矩及相关的分裂因子三.铷原子的偏极化和偏极化过程（光抽运）四.光泵磁共振【实验装置】【实验内容】实验要求1.铷：Rb，Z=37，碱金属，天然铷有两种稳定的同位素：85Rb，87Rb。分别占72.15%和27.85%。选用天然铷做样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞满

4、子能级跃迁的磁共振信号。铷原子是一价碱金属，其电子组态是：轨道KLMNO能级1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f电子数2262610261由上表可见，铷原子基态是52S1/2能级。一.基础知识-----能级分裂及相关量子数它们的基态都是52S1/2，最低激发态均为双重态：52P1/2和52P3/2，产生精细分裂。2能级分裂及相关量子数①精细结构及价电子相关量子数单态：52S1/2双重态：52P1/2和52P3/2（L-S耦合：J=L+S，L+S-1，…

5、L-S

6、）基态最低激发态主量子数nn=5，n

7、=5轨道量子数LL=0，L=1自旋量子数SS=1/2，S=1/2总角动量量子数JJ=1/2J=3/2，1/287Rb总角动量量子数F及能级分裂基态（对于电子态52S1/2）：F=I+J，I-J=3/2+1/2，3/2-1/2=2，1。激发态：对于电子态52P1/2，F=I+J，I-J=3/2+1/2，3/2-1/2=2，1。对于电子态52P3/2，F=I+J，I+J-1，I+J-2，I-J=3/2+3/2，3/2+3/2-1，3/2+3/2-2，3/2-3/2=3，2，10铷原子核：87Rb核自旋量子数I=3/2，8

8、5Rb核自旋量子数I=5/2，铷原子：I-J耦合产生总角动量PF，其总角动量量子数F=I+J，I+J-1，I+J-2，……，

9、I-J

10、②超精细结构及铷原子和原子核相关量子数④塞曼分裂及磁量子数MF在有外静磁场B的情况下，原子总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加能量E=gFMμBB，各能级发生进一步分裂，各相邻能级的能量差为：ΔE=gFμBB其中μB=9.2741×10-24JT-1称为玻尔磁子。称为塞曼分裂。磁量子数MF=-F，-F+1，……，F-1，F，共有2F+1个值，即一个F能级分裂成2F+1个子能级。87R

11、b的能级图二、铷原子各能级分裂时，价电子总磁矩、原子总磁矩及相关的分裂因子称为Longde因子1L-S耦合情况下价电子的总磁距μJ2．J-I耦合情况下原子总磁矩吸收跃迁定则：ΔF=0，±1，ΔM=+1自发辐射跃迁定则：ΔF=0，±1，ΔM=0，±1三、铷原子的偏极化和偏极化过程（光抽运）以87Rb为例：在热平衡状态下，各能级的粒子束遵从玻耳兹曼分布。当气态87Rb原子受D1左旋圆偏振光照射时，基态塞曼能级上的原子吸收光子能量往高能级跃迁，其选择定则为：ΔF=0，±1，ΔM=+1。由于52P1/2能级上的最高子能级为M

12、F=+2，因此基态MF=+2塞曼子能级上的原子将不能吸收入射光向高能级跃迁。而其他子能级上的原子由于都满足跃迁选择定则，能够跃迁到高能级；跃迁到高能级上的原子不稳定，在退激过程中，其选择定则为：ΔF=0，±1，ΔM=0，±1。其中将有一部分原子落在基态的MF=+2子能级上，使该子能级上的原子数增多。因此经多次反复上下跃迁后，基态上F=2，MF=