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麻省理工学院开放课件 8.13-14 实验物理一与二“低年级实验” 2007 年秋季 –2008 年春季 有关引用本课件或有关我们的使用条款信息，请访问/terms 光泵 麻省理工学院物理系 （2008 年1 月31 日） 测量天然铷同位素基态的塞曼劈裂，测量铷蒸汽的磁弛豫时间，以及用铷磁强计测量当 地的地磁场。处于亥姆霍兹线圈控制的弱（~0.01-10 高斯）磁场中铷蒸汽被从铷射频放电 灯放出的圆偏振D1 光泵出。对蒸汽的磁化度从其泵浦辐射不透明度的差分测量来推断的。 本实验的第一部分，在基态超精细能级磁亚态之间的能量间隔随磁场的函数关系，是从引起 85 87 去极化并造成更大蒸汽不透明度的射频光子频率的测量来确定的。从数据推断 Rb 和 Rb 同位素基态的磁矩，并与电子和核角动量矢量叠加模型进行比较。在本实验的第二部分，将 磁化方向与光轴之间进行近于平行与反平行的交替变换，观察透过的信号幅度的逆转速度的 影响，并与计算机模型进行比较。测量泵浦操作的时间的常量随泵浦光强度的函数变化关系， 将结果与竞争率过程理论-泵浦对碰撞去极化进行比较。 1. 预习问题 1. 参考本指南中的图1，估计下面每个Rb 能态电子对之间的能量差（数量级）， 单位为eV ： 2. 导出铷的两种同位素基态的朗德 g-因子，对于角动量和磁矩的叠加可利用 向量模型或矩阵力学完成. 2 3. 在 320 K 的热平衡中，1 摩尔铷原子里预期有多少处于 5 P 1/2 态中? 在该 温度下1 高斯的场中，基态最高和最低的磁亚态粒子数之差是什么？ 4. 给定两个平面偏振滤波器和一个四分之一波片，你怎样得到一束圆偏振光？ 5. 铷原子对自身的（a）角动量（b）磁矩的贡献比例是多少？ 6. 如果地球的场是由在中心的理想化 ‘点 磁双极产生的，并且磁场与旋转轴 平行，那么在波士顿纬度上该场的方向是什么？ 2. 介绍 卡斯特勒在 1950 年代中发现了光泵现象，并因此 1966 年因此获得了诺贝尔奖。 在 本实验你将会探究光泵现象以及它在原子与核物理中基本测量方面的应用。实验所使用的设 备是在卡斯特勒的工作发表后的短时间内为初级实验室而建立起来的。从那以后，又做了各 种各样的改进。虽然它的组成很简单，但是该装置还是能够得到精确的结果，来演示说明量 子理论和原子结构的几个基本原理。在其它可能的实验中，它可以用来测量碰撞弛豫现象， 以及当地的地磁场的大小和方向。 3. 角动量和原子结构 我们关心的是蒸汽状态下的铷中性原子的角动量和能量，该蒸汽状态下，每一个原子可 以作为一个孤立的系统进行处理。在场中的这样一个系统的自由空间有确定值的本征态，该 确定值是总角动量的平方，  ，和关于给定方向 的角动量的分量。根据量子力学定 F F F Z 律，  与 的本征值由下面的表达式给出： F F F Z 并且 其中f 是整数或半整数， m 是 2f + 1 个值-f ,-f + 1,„„f -1,f 中的一个。在没有任 f 何磁场的情况下，具有相同的f 但是不同的 m 的本征态是简并的,即，它们有相同的能量。