实验光泵磁共振实验..docVIP

实验 光泵磁共振实验 在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A·H·Kastler）提出了光抽运（optical pumping，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。 光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。 三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。 本实验以碱金属——铷（Rb）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。它是典型的波谱学教学实验之一。 实验原理 铷（Rb）原子的精细结构与超精细结构能级 本实验研究气态的自由原子——铷（Rb）,它和所有碱金属原子Li、Na、K 一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。铷的价电子处于第五壳层，主量子数n = 5。n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n-1)。基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。 由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。轨道角动量与自旋角动量合成为总角动量。原子能级的精细结构用总角动量量子数J标记，J=L+S，L+S-1，……，|L-S|。对基态，L＝0和S＝1／2，因此Rb基态J=0+1/2=1/2。其标记为52S2/1。Rb最低激发态，L=1和S=1/2，因此J=1/2和J=3/2，是双重态：52P1/2和52P3/2。5P与5S能级之间产生跃迁是Rb原子主线系第1条线，为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。52P1/2→52S1/2跃迁产生波长为7947.6?为D1谱线，52P3/2→52S1/2跃迁产生波长为7800A为D2谱线。 原子的价电子在LS耦合中，原子的电子总磁矩μj与总角动量的关系为 ⑴ 式中gj是原子的朗德因子，计算公式为 ⑵ ⑴、⑵式表达了单电子原子总磁矩的数值与总角动量Pj值的关系。 核也具有自旋和磁矩，而核磁矩与原子的电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂，称为超精细结构，如图2所示。核自旋角动量与电子总动量耦合成，，量子数F= I + j， |I - j|。Rb87的I = 3/2，基态j = 1/2，具有F = 1和F = 2两个态；Rb85的I =5／2，基态j ＝1／2，具有F＝3和F＝2两个态。因此，铷元素在自然中有两种同位素：Rb87和Rb85（各占27.85％和72.15％）。 整个原子的总角动量PF与总磁矩μF之间的关系可写为 ⑶ 式中gF是对应于μF与PF关系的朗德因子。考虑到核磁矩比电子磁矩小约三个数量级，μF实际上为μJ在PF方向的投影，从而得 ⑷ 以上所述都是没有外磁场的情况。如果原子处在外磁场中，由于原子总磁矩μF与的相互作用，超精细结构的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数MF表示，则MF = F，F-1，……，-F，即分裂成2F＋1个子能级，其间隔相等。Rb87和Rb85能级图见图3和图4。 原子的总磁矩μF与外磁场的相互作用能为： ⑸ 式中μB为玻尔磁子。各相邻塞曼子能级的能量差为： ⑹ 可以看出，ΔE与B 成正比。当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来的能级。 2、光抽运会增大粒子布