光泵磁共振.docx

光泵磁共振物理150**********崔汪明摘要:通过本实验利用光泵磁共振的基本原理可以观测铷原子的磁共振信号,并测定85Rb和87Rb的塞曼子能级的朗德因子gF,并与理论值相比较;采用光泵磁共振技术测定地磁场水平分量,然后求出地磁场的大小,与理论值比较后分析误差产生原因。前言观测气体中原子超精细结构塞曼子能级之间跃迁的磁共振信号是很困难的,1950年法国物理学家卡斯特勒()提出了光抽运方法,并荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。光抽运是用圆偏振光激发气态原子,造成不同能级原子数偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。将光抽运与射频电磁场相结合产生磁共振的方法称为光泵磁共振方法,通过探测透过样品的抽运光强来获得光泵磁共振信号,从而使信号功率提高了7~8个数量级。因此,光泵磁共振能在弱磁场(~1mT)下精确检测气体原子能级的超精细结构。目前此方法一方面可用于基础研究,例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量,原子、分子间各种相互作用的研究。另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有实际应用价值。:87Rb,%;85Rb,%;基态轨道量子数L=0,自旋量子数S=1/2,总角动量量子数J=1/2(LS耦合),它们的基态都是52S1/2。在LS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LS,即J=3/2和1/2,因而最低激发态形成双重态:52P1/2和52P3/2。从52P1/2到52S1/2跃迁产生的谱线称为D1线,;从52P3/2到52S1/2跃迁产生的谱线称为D2线,,这两条谱线在铷灯的光谱中光强特别大。原子的价电子LS耦合后总角动量PJ与总磁矩mJ的关系为(1)其中(2)me是电子质量,e是电子电量。对于核自旋量子数I≠0的原子核,核自旋角动量PI和核外电子的角动量PJ将耦合成一个更大的角动量PF(3)PF称为原子的总角动量,与此角动量相关的原子总磁矩为(4)其中(5)F为原子总角动量量子数,F=I+J,I+J-1,…,|I-J|。由F量子数表征的能级称为超精细结构能级。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(6)其中称为玻尔磁子,是PF在外磁场方向上分量的量子数,=-F,-F+1,…,F-1,F,共有2F+1个值,即每一个超精细结构能级将会产生塞曼分裂,相邻塞曼子能级间的能量差为(7)87Rb和85Rb原子的超精细结构能级在磁场中的塞曼分裂如图3-5-1所示。(8)式中是光的频率,是初、终态的能量差。此外,原子在能级间的跃迁还要满足选择定则;;其中光为电场矢量绕磁场方向左旋的圆偏振光,光为电场矢量绕磁场方向右旋的圆偏振光,为电场矢量与磁场方向平行的线偏振光。实验中,对铷光源进行滤光和变换,只让D1光通过并照射到产生塞曼分裂的铷原子蒸气上,铷原子将对D1光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是:(1)塞曼分裂的裂距都是很小的,根据玻尔兹曼分布,相邻两个塞曼能级上原子数之比为(9)因而,各塞曼子能级上的原子数接近均匀分布。(2)如果考虑到热运动造成的多普勒效应,铷光源发出的D1光实际包含了连续频率的光,这些光使得D1线有一定的宽度,同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线。87Rb为例说明一下磁场环境中原子对D1光的吸收跃迁,如图3-5-2所示,5S能级中的8个子能级除了MF=+2的子能级外,都可以吸收D1σ+光而跃迁到5P的有关子能级。MF=+2的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也不能往低能级跃迁,所以这些原子数是不变的。另一方面,跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S低能级,发出自然光,跃迁选择定则是;图287Rb原子对D1σ+光的吸收和退激跃迁相应的跃迁见图2的右半部分。退激跃迁中有一部分原子的状态成为5S能级中的MF=+2态,而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P去的,那些回到其它7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P能级。当光连续照着,跃迁5S5P5S5P…这样的过程就会持续下去,5S态中MF=+2子能级上的原子数就会越积越多,其余7个子能级上的原子数越来越少,相应地,对D1光的吸收越来越弱,最后,差不多所有的原子都跃迁到了5S态的MF=+2的子能级上,其余7个子能级上的原子数少到以至于没有几率吸收光,此时透过87Rb蒸汽的光强达到最大。通过以上的分析可以得出这样的结论:在没有D1光照射时,5S态上的8个子能级几乎均匀分布着