实验光磁共振.pptVIP

第1页，共23页，星期日，2025年，2月5日一、实验提纲光磁共振是光抽运和射频磁共振相结合的一种双共振过程，是用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。双共振技术是由诺贝尔物理学奖获得者A.Kastlor于20世纪50年代提出的。该技术既保存了磁共振高分辨的特点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，因此在激光物理、量子频标、弱磁场探测等方面都有重要应用价值。第2页，共23页，星期日，2025年，2月5日以下所列的实验提纲对理解本实验至关重要：

1、扫场“过0”和“不过0”是什么含义？观察光抽运信号时，为什么要求扫场“过0”？

2、实验中可以看到，当扫场“不过0”时，光抽运信号会消失，这是什么原因？

3、“光抽运”和“磁共振”这两个物理过程在本实验中有什么关联？

4、光泵磁共振实验仪比核磁共振实验仪的灵敏度要高出7-8个数量级，请说明它为什么有那么高的灵敏度？

5、扫场在本实验中起什么作用？

6、如何判断垂直磁场的方向和大小？

第3页，共23页，星期日，2025年，2月5日二、实验目的通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识；掌握光磁共振的实验技术；测定铷原子的因子和测定地磁场。第4页，共23页，星期日，2025年，2月5日三、实验原理——概念介绍1.光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。2.如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。3.光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。第5页，共23页，星期日，2025年，2月5日—铷原子的能级分裂（精细结构的形成）研究对象：铷（Rb）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂铷原子基态与最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|第6页，共23页，星期日，2025年，2月5日——精细结构的形成续对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记为；对于最低激发态，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，标记为，如右图所示，形成两条谱线。第7页，共23页，星期日，2025年，2月5日——朗德因子的引入电子轨道角动量和自旋角动量的合成角动量电子总磁矩两者关系为其中第8页，共23页，星期日，2025年，2月5日——原子超精细结构的形成由核磁矩与电子磁矩的相互作用形成。核的自旋量子数表示为，铷原子的两种同位素的自旋量子数分别为：核的自旋角动量表示为，得原子总角动量：其中F用来表示原子总角动量量子数，F=I+J,…,|I-J|。第9页，共23页，星期日，2025年，2月5日——原子超精细结构的形成续第10页，共23页，星期日，2025年，2月5日——塞曼子能级的形成原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。这些能级用磁量子数来表示，，能级间距相同。和相互作用能表示如下：能级间距为：其中为玻尔磁子。第11页，共23页，星期日，2025年，2月5日—圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应将角动量为的左旋圆偏振光照射到气态原子后，根据光跃迁选择定则，基态中能级上的粒子数会越来越多，形成粒子数偏极化。高度的粒子数偏极化是进行磁共振实验的有利条件。第12页，共23页，星期日，2025年，2月5日——弛豫时间粒子分布由非