内容发布更新时间 : 2024/5/20 1:28:27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

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