内容发布更新时间 : 2025/2/22 6:06:54星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
7-7 光泵磁共振实验
赵滨华
光磁共振,是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程, 是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是碱金属原子铷Rb。天然铷中含量大的同位素有两种:87Rb占27.85 %,85Rb占72.15%。
气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱,用磁共振的方法难于观察。本实验中应用了光探测的方法,既保持了磁共振分辨率高的优点,同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究,另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值。通过实验可加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
1、了解光泵磁共振的原理,观察光磁共振现象。 2、测量铷(Rb)原子的gF因子及地磁场的大小。 二.实验原理:
1、铷原子基态和最低激发态的能级
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。它们的激态都是52S1/2, 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:52P1/2和52P3/2,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(见图7-7-1)。
通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ,与此相联系的核外电子的总磁矩?J为:
一.实验目的:
e?PJ ?J??gJ2m?其中
gJ?1?J(J?1)?L(L?1)?S(S?1)
2J(J?1)就是著名的Longde因子,m是电子质量,e是电子电量。
原子核也有自旋和磁矩,核自旋量子数用I表示。核角动量PI和核外电子的角动量PJ耦合成一个更大的角动量,用符号 PF表示,其量子数
1
用F表示,则
???PF?PJ?PI
e??F??gFPF
2m? 与此角动量相关的原子总磁矩为
其中
gF?gJF(F?1)?J(J?1)?I(I?1)
2F(F?1)在有外静磁场B的情况下,总磁矩将与外场相互作用,使原子产生附加的能量
?e??eE???F?B?gFPF?B?gFMF?B?gFMF?BB
2m2me??9.2741?10?24JT?1称为玻尔磁子,其中?B?MF是PF的第三分量2m?的量子数,MF=-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MF变化,原来对MF简并的能级发生分裂,称为超精细结构,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
?E?gF?BB
我们来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋I?3/2,85Rb的核自璇I?5/2,因此,两种原子的超精细分裂将不同。我们以87Rb为例,介绍超精细分裂的情况,可以对照理解85Rb的分裂(如图7-7-1所示)。
2
图7-7-1 Rb原子能级超精细分裂
87
对于电子态52S1/2,角动量PJ与角动量PI耦合成的角动量PF有两个量子数:F=I+J和I-J,即F=2和1。
同样,对于电子态52P1/2,耦合成的角动量PF也有两个量子数:F=
2和1。对于电子态52P3/2,耦合后的角动量PF有四个量子数:F=3,2,
1,0。
我们可以画出原子在磁场中的超精细分裂情况,如图7-7-1所示。由于实验中D2线被滤掉,所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。 实验中,我们要对铷光源进行滤光和变换,只让D1σ+(左旋圆偏振光)光通过并照射到铷原子蒸气上,观察铷蒸气D1σ+对光的吸收情况。 我们要指出的是:
1)从常温对应的能量kBT来衡量,超精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的,根据玻尔兹曼分布:
N1?ekBT
Ntotal由52S1/2分列出的8条子能级上的原子数应接近均匀分布;同样,由52P1/2分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布。
2)如果考虑到热运动造成的多普勒效应,铷光源发出的D1σ+光实际
3
?E1