光磁共振实验报告详解.docxVIP

一、实验目的 1．掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法； 2．研究原子，分子能级的超精细结构； 3．测定铷原子同位素87Rb和85Rb的郎德因子g，测定电磁场的水平分量。 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，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。 图B4-1 Rb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B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm。 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为 （B4-1） 式中 （B4-2） 是著名的朗德因子，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。核角动量和核外电子的角动量耦合成一个更大的角动量，用符号 表示，其量子数用F表示，则 （B4-3） 与此角动量相关的原子总磁矩为 （B4-4） 式中 （B4-5） 是对应于与关系的朗德因子。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 （B4-6） 其中称为玻尔磁子，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随变化，原来对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 （B4-7） 　再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋，85Rb的核自旋，因此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂。 图B4-2 原子能级超精细分裂  wqer=*4/4 \* MERGEFORMAT  Uj=-gj*e/2m*Pj \* MERGEFORMAT  原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2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。 2．光磁共振跃迁 实验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让D1σ+光（左旋圆偏振光）通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对D1σ+光产生吸收而发生能级间的跃迁。 需要指出的是 （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 （B4-8） 由52S1/2分裂出的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+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富的谱线。 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B4-3所示。 图B4-3 87Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁 可以看到，跃迁选择定则是 ； 跃迁见图B4-3的右半部分。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+光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光，这时光强测量值不再发生变化。 通过以上的分析可以得出这样的结论：在没有D1σ+光照射时，5S态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当D1σ+光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象（偏极化）。 在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率ν，使之满足 （B4-9） 这时将出现“射频受激辐射