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1、光磁共振实验报告篇一：光磁共振 实验报告一、实验目的1掌握光抽运-磁共振-光检测的实验原理及实验方法；2研究原子，分子能级的超精细结构；3测定铷原子同位素87Rb和85Rb的郎德因子g，测定电磁场的水平分量。二、实验原理：1铷原子基态和最低激发态的能级87铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：Rb，占27.85 %和85Rb，占7215%。它们的基态都是52S1/2。 图B4-1 Rb原子精细结构的形成 在LS耦合下，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，如图B4-1所示，它们
2、的波长分别是794.76nm和780.0nm。通过LS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?J?gJ（B4-1） 式中gJ?1?J?L?S2JePJ2me （B4-2） 是著名的朗德因子，me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，其量子数用F表示，则?PF?PJ?PI（B4-3） 与此角动量相关的原子总磁矩为?F?gFePF （B4-4） 式中 2megF?gJF?J?I（B4-5）2FgF是对应于?F与PF关系的朗德因子。在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外
3、场相互作用，使原子产生附加的能量 E?F?B?gFeePF?B?gFMFB?gFMF?BB （B4-6） 2me2me其中?B?e?9.2741?10?24JT?1称为玻尔磁子，MF是PF在外场方向上分量的2me量子数，共有2F1个值。可以看到，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2F1个子能级，相邻的子能级的能量差?E?gF?BB （B4-7）再来看一下具体的分裂情况。87Rb的核自旋I?3/2，85Rb的核自旋I?5/2，因此，两种原子的超精细分裂将不同。这里以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂。图B
4、4-287原子在磁场中的超精细分裂情况如图B4-2所示。由于实验中D2线被滤掉，所Rb原子能级超精细分裂涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑。2光磁共振跃迁实验中已对铷光源进行了滤光和变换，只让D1+光（左旋圆偏振光）通过并照射到产生超精细分裂的铷原子蒸气上，铷蒸气将对D1+光产生吸收而发生能级间的跃迁。需要指出的是（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 （B4-8） Ntotal?E1由52S1/2分裂出的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
5、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。处于磁场环境中的铷原子对D1+光的吸收遵守如下的选择定则?L?1 ?F?1,0； ?MF?1根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图B4-3所示。 图B4-3 87Rb原子对D1+光的吸收和退激跃迁 可以看到，跃迁选择定则是?F?1,0； ?MF?1,0跃迁见图B4-3的右半部分。当光连续照着，跃迁5S?5P?5S?5P?这样的过程就会持续下去。这样，5S态中MF?2子能级上的原子数就会越积越多，而其余7个子能级上的原子数越来越少，相应地，对
6、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，这时光强测量值不再发生变化。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原子，而当D1+光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到MF=+2的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象（偏极化）。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，使之满足h?gF?BB （B4-9）这时将出现“射频受激辐射”，光吸收过程重又开始，光强测量值又降低。跃迁到5P态的原
7、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MF=+2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”。在加入了周期性的“扫场”磁场以后，总磁场为Btotal=BDC+BS+Be/ （B4-10）其中BDC是一个由通有稳定的直流电流的线圈所产生的磁场，方向在水平方向，Be/是地球磁场的水平分量，这两部分在实验中不变。BS 是周期性的“扫场”磁场，也是水平方向的。地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场所抵消。当光磁共振发生时，满足量子条件h?1?gF?B （B4-11）通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可
8、能观察不到共振信号。调节射频的频率，又可以看到共振信号，并调到如图B4-7所示的状态，记下射频的频率2，则有如下的量子条件成立?h?2?gF?B（B4-12） 由（B4-11）、（B4-12）式得gF?h（B4-13）2?BBDC直流磁场BDC可以通过读出两个并联线圈的电流之和I来计算（亥姆霍兹线圈公式）16?NIBDC?3/2?10?7 （T）（B4-14）5r式中N和是两个水平线圈的匝数和有效半径，因为两个线圈是并联的，数字表显示的值是流过两个线圈的电流之和。图B4-7 光磁共振信号图像以上介绍的是针对样品只存在一种原子的情况，事实上，样品中同时存在Rb和85Rb，所以，一般在示波器上能先
9、后看到两种原子造成的光磁共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现的。对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其gF因子。要注意，gF因子的值不仅与原子有关，而且还与量子数F的值有关。不难看出，这里测量的是87Rb的5S态中F=2的gF因子，而对于85Rb来讲，测量的是F=3的gF因子。两种原子的gF因子之比为11332? gF?2?2?gF878711553?3 2?3?2（B4-15）上式为判断共振信号是哪一种原子引起的提供了依据。3利用光磁共振测量地磁场的水平分量在光磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量Be/的值，这为光磁共振提供了另一个应用。方法如下：在测量出gF因
10、子之后，在（B4-11）式的基础上，同时将BDC和BS倒向，调节射频信号频率至3，出现如图B4-8所示的信号，则有如下量子条件成立?h?3?gF?B（B4-16） 由（B4-11）式加（B4-16）式得Be/=h（B4-17）2gF?B篇二：近代物理实验报告光磁共振 班级 物理081学号 姓名 周和建 时间 20XX年4月27日 【摘要】以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法，使用DH807A型光磁共振实验装置来观察光抽运信号，进而测定铷原子两个同位素87Rb和85Rb的超精细结构塞曼子能级的朗德因子的测量。【关键词】光磁共振 光抽运 塞曼能级分裂 超精细结构【引言】光磁共振实际上是使原子、分子
11、的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。光磁共振方法现已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。 利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、实验原理 （一）铷原子基态及最低激发态的能级实验研究对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属，它和所有的碱金属
12、原子Li、Na、K一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。主量子数为n的电子，其轨道量子数L=0,1, ?,n1。基态的L=0，最低激发态的L=1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即LS耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。轨道角动量Ps、的合成角动量PJ=PL+PS。原子的精细结构用总角动量量子数J来标记，J=L+S,L+S-1, ?,L-S。对于基态，L=0和S=1/2,因此Rb基态只有J=1/2。其标记为S1/2。铷原子最低激发态是52P1/2及52P3/2双重态。这是由于轨道量子数L=1，自旋量子数S=
13、1/2。52P1/2态的J=1/2, 52P3/2态的J=3/2。与能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第条线，为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。52P1/2S1/2跃迁产生波长为7947.6?的D1谱线，52P3/2S1/2跃迁产生波长7800?的D2谱线。原子的价电子在LS耦合中，总角动量PJ与原子的电子总磁矩J的关系为gJ是朗德因子，J、L和S是量子数。核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述原子的电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。这附加分裂称为超精细结构。铷元素在自然界中主要有两种同位素，Rb87占27.85%, Rb85占72.15%。两种同位素铷核的自旋量子数I是不同的。核自旋角动量
14、PI与电子总角动量PJ耦合成PF,有PFPIPJ。JI耦合形成超精细结构能级，由F量子数标记，F=I+J、?, I-J。Rb87的I=3/2,它的基态J=1/2,具有F=2和F=1两个状态。Rb85的I=5/2，它的基态J=1/2，具有F=3和F=2两个状态。整个原子的总角动量PF 与总磁矩F之间的关系可写为其中的gF因子可按类似于求gJ因子的方法算出。考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，F实际上为J在PF方向的投影，从而得gF是对应于F与PF 关系的朗德因子。以上所述都是没有外磁场条件下的情况。如果处在外磁场B中，由于总磁矩F与磁场B的相互作用，超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数MF来表示，则MF=F,F-1,?,-F，即分裂成2F+1个子能级，其间距相等。F与B的相互作用能量为8785式中B为玻尔磁子。Rb的能级、Rb的能级见图，为了清楚，所有的能级结构图均未按比例绘制。各相邻塞曼子能级的能量差为可以看出E与B成正比。当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来能级。（二）增大粒子布居数之差，以产生粒子数偏极化气态Rb87
