光磁共振实验报告

吴伟岑

摘要：

本实验以光抽运的方法来研究气态原子基态及激发态的精细结构和超精细结构塞曼能级间的磁共振。在加深对原子超精细结构的理解的基础上，使用DH807A型光磁共振实验装置观察光抽运信号，以此来测定铷原子(Rb85，Rb87)的超精细结构塞曼子能级的朗德g因子。

关键词：

光抽运、塞曼分裂、铷原子、偏极化

引言：

波谱学方法利用物质的微波或射频共振，来研究原子的精细、超精细结构以及在外 加磁场中分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学有更高的分辨率。19xx年法国物理学家

A.Kastler等人提出光抽运技术，提高了探测信号的灵敏度。这种光轴运——磁共振——光 探测技术，其灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。这种方法很快就发展成为研究 原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、 能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质 间相互作用的了解。为此，kastler荣获了19xx年度的诺贝物理奖。

正文

一.实验原理

1.铷原子基态及最低激发态的能级结构及塞曼分裂

铷原子的电子进行L—S耦合，产生精细结构。基态：L=0，S=J=1/2；第一激发态：L=1，S=J=1/2跃迁的谱线见书，不赘述。

由于铷原子核自旋I不为0，核自旋角动量和电子的总角动量再进行J—J耦合，产生基态为F=1和F=2的超精细结构。

在磁场中，原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，分裂后能级磁量子数由-F到F共2F+1个能级间隔基本相等的塞曼子能级。

2.光抽运效应

一般情况下，即热平衡状态下的铷原子遵从Boltzmann分布，如果用射频电磁场诱导子能级间共振跃迁，由于塞曼能级的能量差非常小，很难检测到原子的这种磁共振跃迁。如果用圆偏振光激发铷原子，就能使塞曼能级间的粒子数差比Boltzmann分布形成的粒子数差大几个数量级，造成铷原子的偏极化。

光抽运即用左旋偏振光照射气态铷原子，根据光的选择定则，基态中能级上的粒子会越来越多，形成粒子数的偏极化。当使用右旋偏振光照射样品时，那么会产生相反的效果，所以不能使用线偏光(等量左旋偏振光和右旋振偏光的叠加)进行实验；使用椭圆偏振光(不等量左旋偏振光和右旋振偏光的叠加)、Pi光亦不能产生抽运效应。

亦必须考虑弛豫过程，即：

(1)铷原子和容器壁的碰撞；

(2)铷原子之间的碰撞。

这二者均会使得铷原子失去偏极化效果，所以要充入缓冲气体，以增加弛豫过程。

3.塞曼子能级之间的磁共振和光探测

在样品上垂直于恒定磁场加一射频场，如果频率满足共振条件，铷原子基态超精细塞曼子能级间会发生感应磁跃迁，由于光抽运效应的存在，铷原子又会回到磁量子数为2的子能级上，于是感应磁跃迁与光抽运效应达到一种平衡。

由于共振时对D1光的吸收增加，所以可以通过对透射光强变化的测量得到磁共振信号，实现了磁共振的光测探。

二．实验方法

1.观察光抽运信号

扫场方式选择方波，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反并调节扫场幅度使扫场磁场过零并反向，水平、垂直磁场设置为零。刚加上磁场瞬间，铷原子基态各塞曼能级粒子分布处于Boltzmann热平衡分布，透射光最弱，随后由于光抽运，粒子达到偏极化状态，样品几乎不吸收光线，故透射光达到最大值。扫场到零时，塞曼能级简并，又恢复热平衡状态，而后扫场过零反向增大，又发生光抽运现象。

2.测量g因子

扫场改用三角波，将扫场方向和地磁场水平分量方向相同，调节信号发生器的频率，可以获得共振信号，读出相应的频率v和水平场电流I1；再使得水平场方向与地磁场水平分量方向相反，调节水平场电流大小，使得发生共振信号，此时的水平场电流就是I2，那么可以根据公式算出g因子。

三．实验数据

f=880kHz

I1

0.219

0.332

0.345

0.455 I2 0.282 0.179 0.411 0.302 g 0.499 0.489 0.331 0.330

表1-g因子

表1是测得的g因子数据，其中g~0.50是Ru87，而g~0.33是Ru85。

第二篇：光磁共振实验报告

近代物理实验报告

光磁共振实验

学    院                       

班    级                      

姓    名                        

学    号                         

时    间         2014年3月22日       

光磁共振实验  实验报告

【摘要】：

    本实验以光抽运的方法来研究气态原子基态及激发态的精细结构和超精细结构塞曼能级间的磁共振。在加深对原子超精细结构的理解的基础上，使用DH807A型光磁共振实验装置观察光抽运信号，以此来测定铷原子(⁸⁵Rb，⁸⁷Rb)的超精细结构塞曼子能级的朗德因子（g）。

【关键词】：光抽运、光磁共振、铷原子、超精细结构、朗德因子

【引言】：

    波谱学方法利用物质的微波或射频共振，来研究原子的精细、超精细结构以及在外

加磁场中分裂形成的塞曼子能级，这比光谱学有更高的分辨率。1950年法国物理学家

A.Kastler等人提出光抽运技术，提高了探测信号的灵敏度。这种光轴运——磁共振——光

探测技术，其灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。这种方法很快就发展成为研究

原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、

能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质

间相互作用的了解。为此，Kastler荣获了1966年度的诺贝物理奖。

【正文】：

一、实验原理

1、能级分裂

铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素: ⁸⁵Rb和⁸⁷Rb,二者的比例接近2比1。它们的基态都是5²S_1/2， 即电子的主量子数n=5，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，总角动量量子数J=1/2（L—S 耦合）。

在L—S耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，电子的总角动量J=L+S和L-S，即J=3/2和1/2，形成双重态：5²P_1/2和5²P_3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D₁和D₂线，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm。

    原子的价电子在LS耦合中，总角动量P_J与总磁矩μ_J的关系为

   

    其中,称为郎德因子，m是电子质量，e是电子电量。核具有自旋和磁矩，核磁矩与上述电子的总磁矩相互作用会造成能级的进一步分裂，称为超精细结构。

原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I表示。核角动量P_I和核外电子的角动量P_J耦合成一个更大的角动量，用符号P_F表示，其量子数用F表示，则

   与此角动量相关的原子总磁矩为

 其中 

             

在有外磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，由于总磁矩与磁场B的相互作用，超精细结构中的各能级会进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级，使原子产生附加的能量：

        

其中称为玻尔磁子，Ｍ_Ｆ＝－Ｆ，－Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值。我们看到，原子在磁场中的附加能量Ｅ随Ｍ_Ｆ变化，原来对Ｍ_Ｆ简并的能级发生分裂，

在磁场中，铷原子的超精细结构会产生塞曼分裂。一个Ｆ能级分裂成２Ｆ＋１个子能级，相邻的子能级的能量差为：

 2、光的抽运

气态原子⁸⁷Rb受具有角动量的左旋圆偏振光照射时，处于磁场环境中的铷原子对光的吸收遵从跃迁选择定则

      ；  

在由能级到能级的激发跃迁中，由于光子的角动量为只能产生的跃迁。因此，基态中子能级上的粒子就不能向上跃迁，

在由到的向下跃迁中（发射光子），，各子能级上的跃迁都是允许的。经过多次上下跃迁，基态中子能级上的粒子数只增不减，这样就增大了粒子布居数的差别。这种非平衡分布称为粒子数偏极化。类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，最后粒子都分布在基态的子能级上。原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子数增多，称为光抽运。光抽运的目的是要造成基态能级中粒子数的偏极化，实现了粒子数的偏极化后就可以在子能级间进行磁共振跃迁实验了。

3、磁共振和光检测

在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率ν，使之满足

                             

这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于子能级上的原子会放出一个频率为ν、方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到的子能级，上的原子数就会减少；同样，子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到M_F=0的子能级上……如此下去，5S态的上面5个子能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，用不了多久，5S态的8个子能级上全有了原子。由于此时子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”。

粒子产生共振跃迁必然造成偏激化状态被破坏，从而会增大对光的吸收，透过样品泡的光必然减弱，只要检测透射光的强弱变化即保检测到共振信号，光一方面起到光抽运作用，同时又起到检测共振信号的作用。光信号检测的方法巧妙地把一个频率很低的射频率量子转换为一个频率很高的光频量子的变化，使信号的功率提高了7-8个数量级，大大提高了信号的强度。

二、实验装置

    主体示意图如下所示

三、实验内容

0.准备

在实验正式开始前应先认真熟悉仪器，并检查各连线是否正确

预热：将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关。然后接通电源线，按下电源开关。约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。

1.观察光抽运信号

    扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。预置垂直场电场电流为0.07A左右，用来抵消地磁场垂直分量，调节扫场幅度垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大，如下所示。

2.观测g因子（本实验用扫场法）

扫场方式选择“三角波”，将水平电流预置0.2A左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同（也可不判断方向，一垂直一水平平均后即可消掉，对结果无影响）。

保持扫场幅度不变，调节水平场（垂直场）电流I，直到观察到4个共振信号（两个大两个小为一周期变化）方为合适的，同时大的信号应与光抽运信号差不多，而小的信号为大的三分之一左右（由自然界铷原子数量决定）。

读出前一个大的与小的信号并记录当时频率（6/7百频率为宜），根据算出g因子（代入数据后为）。

与理论g因子比较并算出误差，分析原因。（理论⁸⁵Rb：1/3，⁸⁷Rb：1/2）

四、实验数据

1.观察光抽运信号结果如下图所示：

2.测量g因子数据

注：表格中平均值均取第一次信号。按下、弹起只表示垂直于平行地磁场分量（由于仪器原因方向要看实际测量）

计算g因子：

v=0.79281MHz时，代入后得出：⁸⁵Rb：0.626，⁸⁷Rb：0.3845

v=0.760MHz时，代入后得出：⁸⁵Rb：0.67，⁸⁷Rb：0.388

注：由于实际条件及时间原因，我们小组只做了两组数据。

3.误差分析

根据理论⁸⁵Rb：1/3，⁸⁷Rb：1/2，分别计算实验误差如下：

；

；

从以上数据分析我们不难发现实验误差很大，那么是什么原因造成的呢？

个人认为主要有以下几个原因：

1.调节电流时读数误差；

2.水平场与扫场间的磁场未完全抵消；

3.实验使用的信号发生源不稳定；

4.外界磁性等物质的干扰；

5.实验本身误差。

五、分析总结

    光磁共振实验利用光探测方法有效提高了磁共振的探测灵敏度，本实验的利用光泵抽运的方法探究了气态原子基态的磁共振。通过实验，对于气态原子的塞曼效应有了一种有效的测量观察方法。在实验中如何仔细调节电流观察示波器波形等基础知识显得尤为重要，这告诫我们一定要牢固掌握基础知识。同时，该实验消除地磁场影响的方法与思路也值得我们学习。