光磁共振实验中多量子跃迁奇偶性问题初探-复旦大学物理教学实验中心.PDFVIP

光磁共振实验中多量子跃迁奇偶性问题初探 张宁 （复旦大学材料科学系上海 200433 ） 摘 要：光泵磁共振实验中铷原子光谱具有超精细结构，在磁场中原子的超精细 结构发生塞曼分裂，于垂直产生塞曼分裂的静磁场方向加一射频场，满足一定条 件时，原子在塞曼子能级间将产生受激跃迁和受激辐射。实验发现，当射频场强 度较大时，会出现共振频率为单量子跃迁共振频率的整数分之一的多量子跃迁。 进一步研究表明，奇数量子跃迁信号幅度远大于与其相近的偶数量子跃迁幅度， 这种奇偶性可用能量守恒和角动量守恒解释。 关键词 光泵磁共振 多量子跃迁奇偶性 角动量守恒 光子 受激辐射 一、 引言 光泵磁共振实验中，铷原子在 D1 线左旋圆偏振光作用下，由于选择定则的 限制，都被抽运到基态MF = + 2 的塞曼子能级上。此时，在垂直于塞曼分裂的静 磁场方向加一射频场，若射频场较大时，将会出现多量子跃迁信号[1][4]，n 量子 跃迁信号的频率为单量子跃迁频率的 1 / n。一般认为，多量子跃迁级数越高，跃 迁概率越小，信号越微弱。但是，实验观察发现，当多量子跃迁为偶数个数时， 如双量子跃迁，四量子跃迁等，信号很小甚至观测不到；但当多量子跃迁为奇数 个数时，如三量子跃迁，五量子跃迁等，信号幅度则远大于偶数时的情况，且仅 在奇数（或偶数）量子跃迁前提下出现这种现象（级数越高，信号越小）。本文 将对此进行初步探讨。 二、 实验 观测光磁共振实验中多量子跃迁信号的实验参数如下： 水平激磁电流：0.250A，垂直场已抵消地磁分量影响； 扫场：三角波 峰峰值 500mV （误差 ±20mV ）； 射频场：正弦波，峰峰值均在射频场频率 1.9MHz 左右时测量（频率变化会 导致峰峰值有些许改变），射频场幅度可通过信号线与双踪示波器直接相连观测。 扫场、水平磁场和地磁场水平分量同向，频率选取对准三角波波谷处的共 振频率。 实验观测到的射频场与共振信号频率、峰峰值的关系如表 1 所示。 表 1 射频场与共振信号频率、峰峰值的关系 射频场峰 共振峰频率（kHz ）和峰峰值（mV ） 峰值/V 1 2 3 4 5 6 7 8 5 1095.5kHz 731.3kHz 545.0kHz 365.0kHz 243.0kHz 146mV 140mV 8mV 84mV 80mV 8 1096.0kHz 731.7kHz 546.4kHz 365.1kHz 243.3kHz 218.7kHz 145.6kHz 148mV 140mV 17mV 100mV 96mV 46.4mV 52mV 15 1098.3kHz 731.3kHz 546.1kHz 364.9kHz 244.4kHz 218.1kHz 145.6kHz 104.4kHz 148mV 138mV 26.4mV 120mV 110mV 66mV 73mV 41.6mV 87 由表 1 可知，第三栏的信号频率为第一栏的 1/2，是 Rb 的双量子跃迁信 87 号。第四栏的信号频率为第一栏的 1/3，是 Rb 的三量子跃迁信号，当然也可能 85 87 85 是 Rb 的双量子跃迁信号，因为 Rb 与 Rb 的gF 因子比值为 3 ：2 。再看第五 栏信号的频率为第一栏的 1/5，是 87Rb 的