光磁共振实验报告

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. 测定铷同位素⁸⁷Rb和⁸⁵Rb的g_F因子，测定地磁场的水平分量；

一．实验原理

（一）．铷（Rb）原子基态及最低激发态的能级

实验研究的对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属原子，在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,……,n-1。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。85Rb和87Rb的基态都是。

由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（既L—S耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。电子轨道角动量与其自旋角动量的合成电子的总角动量。原子能级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=O和S=1/2,因此Rb基态只有J=1/2。其标记为5²。铷原子最低激发态是及。态的J=1/2，态的J=3/2。5P于5S能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第1条线，为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。→跃迁产生波长为的谱线,→跃迁产生波长的谱线。

原子的价电子在LS耦合中，其总角动量与电子总磁矩的关系为：

(1)

(2)

是郎德因子，J是电子总角动量量子数，L是电子的轨道量子数，S是电子自旋量子数。

核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述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。铷的两种同位素的自旋量子数I是不同的。核自旋角动量与电子总角动量耦合成原子的总角动量, 有。J—I耦合形成超精细结构能级，由F量子数标记，F=I+J、…,|I-J|。的I=3/2,它的基态J=1/2，具有F=2和F=1两个状态。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与总磁矩之间的关系可写为

(3)

其中的因子可按类似于求因子的方法算出。考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，实际上为在方向上的投影，从而得

(4)

是对应于与关系的郎德因子。以上所述都是没有外磁场条件下的情况。

如果处在外磁场中，由于总磁矩与磁场的相互作用，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。用磁量子数来表示，则=F, F-1,…,-F, 即分裂成2F+1个子能级，其间距相等。与的相互作用能量为：

(5)

式中为玻耳磁子。各相邻塞曼子能级的能量差为：

(6)

可以看出与成正比。当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来能级。

（二）圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应

一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁。气态原子受左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则 ±1，。在由能级到能级的激发跃迁中，由于光子的角动量为,只能产生的跃迁。基态子能级上原子若吸收光子就将跃迁到的状态，但各自能级最高为。因此基态中子能级上的粒子就不能跃迁，换言之其跃迁几率为零。由于的激发而跃迁到激发态的粒子可以通过自发辐射退激回到基态。由到的向下跃迁（发射光子）中，，的各跃迁都是有可能的。当原子经历无辐射跃迁过程从回到时，则原子返回基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态子能级上的原子数就会大大增加，即大量原子被“抽运”到基态的的子能级上。这就是光抽运效应。

经过多次上下跃迁，基态中的子能级上的原子数只增不减，这样就增大了原子布居数的差别。这种非平衡分布称为原子数偏极化。光抽运的目的就是要造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振跃迁实验了。

（三）驰豫过程

系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程称为驰豫过程。促使系统趋向平衡的机制是原子之间以及原子与其它物质之间的相互作用。在实验过程中要保持原子分布有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回玻耳兹曼分布的趋势。但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的碰撞（偏极化）。铷原子与磁性很弱的原子碰撞，对铷原子状态的扰动极小，不影响原子分布的偏极化。因此在铷样品泡中冲入10托的氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大6个数量级，这样可减少铷原子与容器以及与其它铷原子的碰撞机会，从而保持铷原子分布的高度偏极化。此外，处于的原子须与缓冲气体分子碰撞多次才能发生能量转移，由于所发生的过程主要是无辐射跃迁，所以返回到基态中八个塞曼子能级的几率均等，因此缓冲气体分子还有利于粒子更快的被抽运到子能级的过程。

（四）光磁共振和光检测

因光抽运而使原子分布偏极化达到饱和以后，铷蒸气不再吸收光，从而使透过铷样品泡的光增强。这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场的方向加一频率为的射频磁场，当和之间满足磁共振条件时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。

（7）

跃迁遵守选择定则△F=0, 原子将从的子能级向下跃迁到各子能级上，即大量原子由的能级跃迁,以后又跃迁到等各子能级上。这样，磁共振破坏了原子分布的偏极化，而同时，原子又继续吸收入射的光而进行新的抽运，透过样品泡的光就变弱了。随着抽运过程的进行，粒子又从各能级被抽运到的子能级上。随着粒子数得偏极化，透射再次变强。光抽运与感应磁共振跃迁达到一个动态平衡。光跃迁速率比磁共振跃迁速度大几个数量级，因此光抽运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。也有类似的情况，只是光将抽运到基态的子能级上，在磁共振时又跳回到等能级上。