實(shí)驗(yàn)6-3光泵磁共振

南開大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

近代物理實(shí)驗(yàn)室一、實(shí)驗(yàn)提綱

光磁共振是光抽運(yùn)和射頻磁共振相結(jié)合的一種雙共振過程，是用光抽運(yùn)來(lái)研究原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術(shù)。雙共振技術(shù)是由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者A.Kastlor于20世紀(jì)50年代提出的。該技術(shù)既保存了磁共振高分辨的特點(diǎn)，同時(shí)又將測(cè)量靈敏度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是研究原子、分子高激發(fā)態(tài)的精密測(cè)量的有力工具，因此在激光物理、量子頻標(biāo)、弱磁場(chǎng)探測(cè)等方面都有重要應(yīng)用價(jià)值。

以下所列的實(shí)驗(yàn)提綱對(duì)理解本實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要：

1、掃場(chǎng)“過0”和“不過0”是什么含義？觀察光抽運(yùn)信號(hào)時(shí)，為什么要求掃場(chǎng)“過0”？

2、實(shí)驗(yàn)中可以看到，當(dāng)掃場(chǎng)“不過0”

時(shí)，光抽運(yùn)信號(hào)會(huì)消失，這是什么原因？

3、“光抽運(yùn)”和“磁共振”這兩個(gè)物理過程在本實(shí)驗(yàn)中有什么關(guān)聯(lián)？

4、光泵磁共振實(shí)驗(yàn)儀比核磁共振實(shí)驗(yàn)儀的靈敏度要高出7-8個(gè)數(shù)量級(jí)，請(qǐng)說(shuō)明它為什么有那么高的靈敏度？

5、掃場(chǎng)在本實(shí)驗(yàn)中起什么作用？

6、如何判斷垂直磁場(chǎng)的方向和大?。?/p>

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^研究銣原子基態(tài)的光磁共振，加深對(duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；掌握光磁共振的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；測(cè)定銣原子的因子和測(cè)定地磁場(chǎng)。三、實(shí)驗(yàn)原理——概念介紹1.光抽運(yùn)（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能級(jí)間的熱平衡態(tài)，造成期望集居數(shù)差，它基于光和原子間的相互作用。2.如何提高探測(cè)靈敏度：采用光探測(cè)，探測(cè)原子對(duì)光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測(cè)方法（直接探測(cè)原子對(duì)射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而大大提高探測(cè)靈敏度。3.光磁共振：是將光抽運(yùn)、磁共振、光探測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)研究氣態(tài)原子精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，加深了人們對(duì)原子磁矩、因子、能級(jí)壽命、能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)及原子間相互作用的認(rèn)識(shí)?！溤拥哪芗?jí)分裂（精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成）研究對(duì)象：銣（Rb）的氣態(tài)自由原子，價(jià)電子處于第五電子層，主量子數(shù)n=5，軌道量子數(shù)L=0,1,…,n-1，電子自旋量子數(shù)S=1/2原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成：由電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互作用（L-S耦合）發(fā)生能級(jí)分裂銣原子基態(tài)與最低激發(fā)態(tài)的形成：用J表示電子總角動(dòng)量量子數(shù)，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|——精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成續(xù)對(duì)于基態(tài)，L=0，S=1/2，得J=1/2，標(biāo)記為；對(duì)于最低激發(fā)態(tài)，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，標(biāo)記為，如右圖所示，形成兩條譜線?！实乱蜃拥囊腚娮榆壍澜莿?dòng)量和自旋角動(dòng)量的合成角動(dòng)量電子總磁矩兩者關(guān)系為其中——原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成

由核磁矩與電子磁矩的相互作用形成。核的自旋量子數(shù)表示為，銣原子的兩種同位素的自旋量子數(shù)分別為：核的自旋角動(dòng)量表示為，得原子總角動(dòng)量：其中F用來(lái)表示原子總角動(dòng)量量子數(shù)，F(xiàn)=I+J,…,|I-J|?！映?xì)結(jié)構(gòu)的形成續(xù)——塞曼子能級(jí)的形成

原子處于弱磁場(chǎng)中，由于原子總磁矩與磁場(chǎng)的相互作用使能級(jí)進(jìn)一步分裂，形成塞曼子能級(jí)。這些能級(jí)用磁量子數(shù)來(lái)表示，，能級(jí)間距相同。和相互作用能表示如下：能級(jí)間距為：其中為玻爾磁子?！獔A偏振光對(duì)銣原子的激發(fā)與光抽運(yùn)效應(yīng)

將角動(dòng)量為的左旋圓偏振光照射到氣態(tài)原子后，根據(jù)光躍遷選擇定則，基態(tài)中能級(jí)上的粒子數(shù)會(huì)越來(lái)越多，形成粒子數(shù)偏極化。高度的粒子數(shù)偏極化是進(jìn)行磁共振實(shí)驗(yàn)的有利條件?！谠r(shí)間

粒子分布由非平衡狀態(tài)（粒子數(shù)偏極化）到平衡狀態(tài)（玻爾茲曼