[中国科大]光泵磁共振实验讲义.pdfVIP

光泵磁共振实验 物理学中研究物质内部结构，最初是利用光谱学的方法，推动了原子和分子物理学的进 展。如果要研究原子、分子等微观粒子内部更精细的结构和变化，光谱学的方法受到仪器分 辨率和谱线线宽的限制。在此情况下发展的波谱学方法利用物质的微波或射频共振研究原子 的精细、超精细结构以及因磁场存在而分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学方法有更高的分 辨率。但是，热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，加以磁偶极跃迁几率也较 小，因此核磁共振波谱方法也有如何提高信息强度的问题。对于固态和液态物质的波谱学， 如核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)，由于样品浓度大，再配合高灵敏度的电子探测技 术，能够得到足够强的共振信号。但对气态的自由原子，样品的浓度降低了几个数量级，就 得另外想新办法来提高共振信号强度。A ．Kastler 等人在20 世纪50 年代提出了光抽运(optical pumping ，又称光泵)技术，并在1966 年荣获诺贝尔奖。光抽运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 磁共振方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，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七八个数量级，所以探测信号的灵 敏度得以提高。使用光抽运——磁共振——光探测技术对许多原子、离子和分子进行的大量 研究，增进了我们对微观粒子结构的了解，推动了结构理论方面的研究。此外，光抽运技术 在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要的应用。 本实验的物理内容很丰富，实验过程中不仅掌握其方法，也会见到比较复杂的现象。若 能根据基本原理给出正确的分析，将受到一次很好的原子物理实验和综合实验的训练。 1 实验目的 加深对原子超精细结构的理解，测定铷原子（ ）超精细结构塞曼子能级的朗德因子。 Rb 2 实验原理 一、铷(Rb)原子能级结构 实验研究的对象是 的气态自由原子。 是碱金属原子，在紧紧束缚的满壳层外只 Rb Rb 有一个电子，价电子处于第5 壳层，主量子数n 5 。 n 主量子数为 的电子，其轨道量子数 L 0,1,,n 1 。基态的L 0 ，最低激发态的 1 L 1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S 。 2 由于电子的自旋与轨道运动的相互作用 （即LS 耦合）而发生能级分裂，称为精细结构(见图3.1)。 P P 轨道角动量 与自旋角动量 的合成总角动量 L s P P P J J L S 。原子能级的精细结构用总角动量量子数 来标记， J L S ,L S 1,L s （1） 原子的基态， 和 ，因此 基态只有 ，标记为 2 ；其最 Rb L 0 S 1/ 2 R J 1/ 2 5 S b 1/ 2 低激发态是 2 （ ）及 2 （ ）。 与 能级之间产生的跃迁是铷 5 P J 1/ 2 5