光泵磁共振.docx

实验报告课程名称: 近代物理实验 I实验项目名称: 光泵磁共振专业: 学号: 姓名: 联系方式: 实验地点: 实验日期: 上交日期: 指导教师: : 光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破,使用探测磁共振信号的光探测方法,大大提高了灵敏度。这是在 195 0 年,法国物理学家卡斯特勒( 1902 ~ 1984) 提出了光抽运方法。光抽运过程是原子系统吸收某种特定的光而造成能级原子数的分布偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。光泵磁共振是光抽运过程和射频磁共振相结合的一种双共振过程。用射频电磁场作用使之发生磁共振,用光探测原子对入射光的吸收,从而获得光泵磁共振信号,此技术应用了光探测方法,既具有了磁共振高分辨率的优点,又将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。卡斯特勒因此荣获了 1966 年度的诺贝尔物理奖。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,对原子、分子间各种相互作用进行实验研究,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,近年来,发展出两种精密仪器,原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。本实验是以天然铷(Rb )为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。实验目的: ,原子核磁矩,光跃迁,磁共振的理解。 。 ( Rb )原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子 Fg 和地磁场强度 EB 。 铷原子基态及最低激发态能级的塞曼分裂核自旋 I=0 时,原子的价电子 LS耦合后总角动量 JP ?与原子总磁矩 J??的关系: Je JJPm eg ??2 ???)1(2 )1()1()1(1????????JJ SSLLJJg J其中式中 Jg 为铷原子精细结构朗德因子。当I≠0时, Rb 87的I=3/2 , Rb 85的I=5/2 。设核自旋角动量为 IP ?,核磁矩为 I??, IP ?与 JP ?耦合成 FP ?,有 JIFPPP ?????。耦合后的总量子数 F=I+J ,···,∣I-J ∣。 Rb 87 的基态 F有两个值 F=2 及F=1 ; Rb 85的基态 F有两个值 F=3 及F=2 。由 F量子数表征的能级称为超精细结构能级,这是由于核磁矩与电子自旋,轨道磁矩的相互作用,使能级发生分裂而形成的。原子总角动量 FP ?与总磁矩 F??之间关系: Fe FFPm eg ??2 ???)1(2 )1()1()1(???????FF IIJJFFgg JF其中式中 Fg 为铷原子超精细结构的朗德因子。在磁场'0B 中原子的超精细能级产生塞曼分裂(弱磁场时为反常塞曼效应),磁量子数 Fm =F,(F-1) ,……,(-F) ,即分裂成 2F+1 个能量间距基本相等的塞曼子能级, 如图 4-1所示。原子各能级能量可由薛定谔方程确定的能量本征值给出。在弱磁场中铷原子的能量算符是: ' ??? 0HHH??式中 0?H 为只考虑了 LS 耦合作用的哈密顿量, '?H 为微扰项,它包括 I与J耦合作用能及弱磁场'0B 对总磁矩 F?的作用能。当取'0B 的方向为坐标轴的 Z方向时,由量子理论导出式(4-5) 各能级的能量本征值为: 0 0' )]1()1()1([2 'BmgIIJJFF ah EE BFF?????????玻尔磁子 12410 )80 (2740949 .94 ??????TJm eh eB??,h 为普朗克常数,a 为磁偶极相互作用常数,在'H 中忽略了四极矩及更高极矩的作用能。图( 4-1 )铷原子能级示意图当外场'0B =0时,则塞曼子能级简并为超精细结构能级,其基态 21 25S (J=1/2,L=0) 的两个(即'F 和F )超精细结构能级之间的能量差为: )]1()1'('[2 ?????FFFF ah E F Rb 87的 21 25S 态的 87a =, 'F =2,F =1,则 FE?=2 87a ·h = ·h 。 Rb 85的 21 25S 态的 85a =, 'F =3,F =2, 则 FE?= ·h 。当外磁场'0B ? 0(即弱磁场中)时,相邻的塞曼子能级之间( Fm?=±1)的能量差可由式(4-6) 得: 0'BgE BFm???光抽运: 在热平衡状态下,各能级的粒子数遵守玻耳兹曼分布,其分布规律为 T EeN N T E????????1 1 2由于超精细塞曼子能级间的能量差 E?很小,可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的,这样很不利于观测这些子能级之间的磁共振