光磁共振实验报告
陈孝章光磁共振实验报告
光磁共振实验报告陈孝章物理091班09180120【摘要】本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，学会使用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Rb87或Rb85的超精细结构塞曼子能级的朗德g因子的测量。
【关键词】光磁共振精细结构基态跃迁热平衡弛豫塞曼能级【引言】光磁共振又叫光泵磁共振，其基本思想是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细结构和超精细结构塞曼能级之间的磁共振，由于气态样品的浓度比液态和固态样品的浓度低几个数量级，能级间的共振型号非常微弱，所以一般的磁共振技术很难达到测量要求。
光磁共振采用了光探测方法，由于光量子能量是射频量子能量的1000000-10000000倍，因此此方法大大提高了磁共振的探测灵敏度。
由于光磁共振的应用价值，Kastler获得了1966年的诺贝尔奖。
【正文】一．光抽运效应在热平衡下，铷原子各个子能级上的例子数都遵从波尔兹曼分布，由于各塞曼能级的能量差非常小，各能级上的粒子数近似相等。
为了使系统由热平衡状态向非热平衡状态转变，A.Kaslter引入了光抽运方法，用园偏振激发铷院子，使塞曼能级间的粒子差数比波尔兹曼分布形成的粒子数差大几个数量级，造成铷原子的偏极化。
上图是处在磁场中的铷原子能级示意图。
二．弛豫过程光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态。
弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因。
通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会。
缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度。
近代物理实验_光磁共振实验深圳大学
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：光磁共振实验报告学院：物理科学与技术学院组号 09 指导教师：陈静秋报告人：学号：班级： 01实验地点科技楼B105 实验时间：实验报告提交时间：mF=F，F－1，…，－F，因而一个超精细能级分裂为2F＋1个塞曼子能级．设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为E＝－μF·B0＝gF mF μF B0 （9.4.1）这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T－1 ，朗德因子gF= gF [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ? 2F（F＋1）（9.4.2）其中gJ= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ? 2J（J＋1）（9.4.3）上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（9.4.1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差ΔE＝gF μB B0 ，（9.4.4）式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．2．光抽运效应．在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(9．0.12)表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用．设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同，则左旋圆偏振的σ﹢光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为?；右旋圆偏振的σ－光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为－?；线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加，其角动量为零．现在以铷灯作光源．由图9.4.1可见，铷原子由5 2P1?2→5 2S1?2的跃迁产生D1线，波长为0．7948μm；由5 2P3?2→5 2S1?2的跃迁产生D2线，波长为o．7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ，Δ F＝0，±1，ΔmF＝±1 。
实验报告核磁共振实验
实验报告核磁共振实验实验报告：核磁共振实验一、实验目的本次核磁共振实验的主要目的是通过对样品的核磁共振现象进行观测和分析，深入理解核磁共振的基本原理，掌握核磁共振仪器的操作方法，以及学会如何利用核磁共振技术获取物质的结构和性质信息。
二、实验原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是指处于外磁场中的原子核系统受到一定频率的电磁波照射时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。
原子核具有自旋角动量和磁矩，当它们处于外加磁场中时，会产生不同的能级分裂。
在射频场的作用下，当射频场的频率与原子核在磁场中的进动频率相等时，就会发生共振吸收，从而产生核磁共振信号。
对于氢原子核（质子），其自旋量子数为 1/2，在外加磁场中会产生两个能级。
核磁共振的频率与外加磁场强度之间存在着一定的关系，即：ω ＝γB其中，ω 为射频场的角频率，γ 为核的旋磁比，B 为外加磁场强度。
通过测量核磁共振信号的频率和强度，可以获得关于原子核所处化学环境、分子结构等方面的信息。
三、实验仪器与试剂1、核磁共振仪：包括磁铁、射频发生器、探头、信号接收和处理系统等。
2、样品管：用于容纳待测样品。
3、标准样品：如四甲基硅烷（TMS）。
4、待测样品：如乙醇、乙酸等。
四、实验步骤1、仪器准备打开核磁共振仪电源，预热一段时间，使其达到稳定工作状态。
调节磁场强度和匀场，使磁场均匀性达到最佳。
2、样品制备将标准样品和待测样品分别装入样品管中。
确保样品管内无气泡，且样品量适当。
3、仪器参数设置设置射频频率、扫描宽度、扫描时间等参数。
4、数据采集将样品管放入探头中，启动数据采集。
观察核磁共振信号的出现，并记录相关数据。
5、数据处理对采集到的数据进行处理，如基线校正、积分、峰位确定等。
根据标准样品的峰位，对待测样品的化学位移进行校准。
五、实验结果与分析1、乙醇的核磁共振谱观察到乙醇分子中不同类型氢原子的共振峰。
甲基氢的化学位移约为12 ppm，亚甲基氢的化学位移约为37 ppm，羟基氢的化学位移约为 53 ppm。
光磁共振实验(revise)
h 3 g F B ( BDC BS B e⁄⁄)
(6)
4/7
光磁共振实验
图 6 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像
由（2）式加（6）式得：
Be⁄⁄= 三、实验仪器
h( 1 3 ) 2g F B
（7）
本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成。见图 2：
光磁共振实验
一、实验目的 1．了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象; 2． 测量铷（Rb）原子的 g F 因子（和地磁场）. 二、实验原理 1． 光磁共振的概念 光磁共振，是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程, 是利用光抽运效应来研究原子 超精细结构塞曼子能级间的磁共振。 2． 光抽运效应 处于磁场环境中的铷原子对 D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则： L 1， F 1,0 ， M F 1 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图 1 所 示 5S 能级中的 8 条子能级除了 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没 有条件往低能级跃迁，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： ， 相应的跃迁见图 1 的右半部分。 ， 退激跃迁中有一部分的状态变成了 5S 能级中的 MF=+2 的状态（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 图 1 87Rb 原子对 D1σ+光的吸收和自发辐射跃迁 可以再吸收光重新跃迁到 5P 能级） 。这样经过若干 循环之后， 5S 态中 M F 2 子能级上的粒子数就会越积越多（而其余７个子能级上的原子数越来越少） ， 即大量粒子被“抽运”到基态的 MF=+2 的子能级上，这就是光抽运效应。 各子能级上粒子数的这种不均匀分布叫做“偏极化” ，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就 可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。 3． 光磁共振跃迁 持续的光抽运，样品对 D1σ+光的吸收越来越弱，透过样品的光强度逐渐增加，当 M F 2 子能级上的 粒子数达到饱和，透过样品的光强达到最大值。 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 g F B B （1） 这时将出现“射频受激辐射” ，在射频场的扰动下，处于 MF=+2 子能级上的原子会放出一个频率为 ν、 方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到 MF=+1 的子能级，MF=+2 上的原子数就会减少；同样， MF=+1 子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到 MF=0 的子能级上„如此下去，5S 态的上面 5 个子 能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到 5P 态的原子在退激过程中 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” 。 通过以上的分析得到了如下的结论： 处于静磁场中的铷原子对偏振光 D1σ+的吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当没有射频信号时， 铷原子对 D1σ+光的吸收很快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（ 1）
浙师大物理实验报告-光磁共振
浙师⼤物理实验报告-光磁共振光磁共振实验报告物理081班任希 08180123摘要：在我们对原⼦超精细结构进⾏了初步的理解之后，通过课本及⽹络资料的提⽰，本实验采⽤了以光泵抽运法来研究⽓态原⼦基态及激发态精细和超精细结构赛曼能级间的磁共振，并且使⽤DH807A 型光磁共振实验装置来观察光抽运信号的过程，从⽽测定铷原⼦两个同位素Rb Rb 8785和的超精细结构塞曼⼦能级的朗德g 因⼦。
关键词：光泵抽运法、塞曼分裂、铷原⼦引⾔：波谱学⽅法利⽤物质的微波或射频共振，来研究原⼦的精细、超精细结构以及在外加磁场中分裂形成的塞曼⼦能级，这⽐光谱学有更⾼的分辨率。
1950年法国物理学家A.Kastler 等⼈提出光抽运技术，提⾼了探测信号的灵敏度。
这种光轴运——磁共振——光探测技术，其灵敏度⽐⼀般的磁共振探测提⾼了⼏个数量级。
这种⽅法很快就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。
正⽂：实验开始之前，需要对仪器进⾏⼤约半⼩时的预热，并且提前对实验内容进⾏进⼀步消化，经过之前的预习⼯作之后，只需对实验仪器做进⼀步的了解即可。
预热步骤之后，初步对实验仪器进⾏调试，可以发现⽇光灯对实验仪器的影响，⽽且这个影响对实验结果会造⽔平磁场线圈铷光谱灯⾼频振荡器放⼤器Rb⼲涉滤光镜透镜偏振⽚1/4波⽚射频线圈恒温槽垂直磁场线圈透镜光电池光电探测器⾄⽰波器光磁共振实验装置⽰意图成⾮常巨⼤的影响，所以最后进⾏实验时，应⽤幕布罩住整个实验仪器或是关掉⽇光灯进⾏实验，以确保实验结果的准确性。
1.观察光抽运现象⾸先对光路进⾏调节，保证各元件在同⼀光轴上。
调节地磁的影响前，⾸先扫场⽅式选择⽅波，把⽔平和垂直⽅向的附加场的旋钮打⾄最⼩处，然后⽤指南针确定地磁⽅向，设置扫场⽅向与地磁场⽔平分量⽅向相反，预制垂直场电流为0.07A 左右，增⼤扫场幅度并调节⽰波器，可初步观察到光抽运信号，然后⼀次调解透镜，偏振⽚及扫场幅度,垂直⼤⼩与⽅向，使光抽运幅度最⼤。
实验6-3 光磁共振
MF
52 P1/ 2
F=2Biblioteka F=152 S1/ 2F=2
F=1
——弛豫时间
粒子分布由非平衡状态（粒子数偏极化）到平 衡状态（玻尔兹曼分布）所需的时间。本实验中，在 样品泡中加入少量分子磁矩较小的缓冲气体（如氮、 氖等）避免铷原子与容器壁碰撞而使粒子失去偏极化。 另外将温度保持在50到60摄氏度之间，尽量减小铷 原子与容器壁的碰撞。
幅 扫场方波 度 信 号 幅 度 信号波 t Fig.6 光抽运信号 t
——3. 观察光磁共振信号
测量 g 因子 1) 加上方向同地磁场水平方向的三角波扫场以及频率为 υ 的射频磁场，调节频率的大小观察磁共振信号，假设 频率为 υ1 时观察到共振信号；接着将水平场反向，频 率为 υ 2 时得到共振信号，那么 (υ1 + υ2 ) / 2 便是水平磁场 对应的共振频率，由此可以得出 g 因子。需要注意的 是因铷原子有两种同位素，所以会出现两次共振信号， 频率高的为 共振信号；频率低的为 Rb87 共振信号。 Rb85
80 − 90 o C 间，按工作键，这时除射频线圈的各线圈电源都 已接通，开启高频振荡器，发紫红色光。
调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为pi/4
——2. 观察光抽运信号
调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分 量； 加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反，在示波器 上观察光抽运信号，得到如下图所示的扫场和光抽运 脉 信号的对照图： 冲
87
= 1 / 2, F = 2,1 基态 = 3 / 2, F = 3,2,1,0 = 1 / 2, F = 2,1 = 3 / 2,...... 基态
52 P3/ 2
52 P 2 1/
3.光磁共振实验预习报告
光磁共振实验预习报告【摘要】光磁共振是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构塞曼能级间的磁共振。
实际上是使原子、分子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。
本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，进而测定铷原子两个同位素Rb 87或Rb 85的超精细结构塞曼子能级的朗德因子g 的测量。
【关键字】光磁共振 精细结构 铷原子 朗德因子 【引言】光磁共振是“激光之父”卡斯特勒提出并实现。
它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman 能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann 分布。
然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动，使光的抽运速率变化。
通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构。
由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观察。
1950年卡斯特勒(A.Kastler)提出了光抽运方法（又称光泵），使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖。
【正文】 一、实验原理1. 铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。
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（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L P 与其自旋角动量S P 的合成电子的总角动量S L J P P P +=。
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。
光磁共振试验报告
—、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.测定帥原子同位素87Rb和85Rb的郎徳因子g,测左电磁场的水平分崑二、实验原理：1.¥如原子基态和最低激发态的能级帥(方37)是一价金属元素，天然帥中含量大的同位素有两种^Rb,占27. 85% 和沖b,占72. 15%。
它们的基态都是53S1/2O图B4-1 Rb原子精细结构的形成在Z—粥合下，形成双重态：亦山和这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。
因此，从闭到励的跃迁产生双线，分别称为D’和D：线，如图创-1 所示，它们的波长分别是794. 76nm和780. 0nm=通过Z—粥合形成了电子的总角动量厲，与此相联系的核外电子的总磁矩几为2叫(B1-1)式中J (J + 1) —L(L +1) + S (S +1)gj + ------------------ ----------- -----2J(J + 1)(B4-2)是著名的朗德因子，皿是电子质量，e是电子电量。
原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用啟示。
核角动量R和核外电子的角动量£耦合成一个更大的角动量，用符号丘表示，其量子数用肢示，则衣“+月与此角动量相关的原子总磁矩为A- = S F -「P F2m ec F(F + 1) +丿(丿 + 1)-/(/ + 1)% = Sj2F(F + 1) gF 是对应于几•与丘关系的朗徳因子。
在有外静磁场勺情况下，总磁矩将与外 场相互作用，使原子产生附加的能量E = - A S = gF J — P F B = g FM JiB = g h M 屮少 (B4-6)2m e2 叫其中//^= — =9.2741 xlO^JT'1称为玻尔磁子,是丘在外场方向上分量的 2叫 量子数，共有2尸+1个值。
可以看到，原子在磁场中的附加能量邨变化, 原来对必尸简并的能级发生分裂，称为超精细结构，一个用呂级分裂成2F+1个 子能级，相邻的子能级的能量差A£ = g F p R B(B4~7 )再来看一下具体的分裂情况。
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近代物理实验报告光磁共振班级物理081学号 08180140姓名周和建时间 2011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(Rb)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, …,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。
由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L－S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５２S1/2。
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=1/2。
52P1/2态的J=1/2, 52P3/2态的J=3/2。
５Ｐ与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。
52P1/2→５２S1/2跃迁产生波长为7947.6?的D1谱线，52P3/2→５２S1/2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μJ的关系为(1)(2)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PI 与电子总角动量PJ耦合成PF,有PF＝PI＋PJ。
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μF之间的关系可写为(3)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，μF 实际上为μJ在PF方向的投影，从而得(4)g F 是对应于μF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μF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M F =F,F-1,…,-F，即分裂成2F+1个子能级，其间距相等。
μF与B的相互作用能量为(5)式中μB为玻尔磁子。
Rb87的能级、Rb85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(6)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原子受D1σ╋左旋偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则△F=0,±1 △MF=+1在由５２S1/2能级到 52P1/2能级的激发跃迁中，由于σ╋光子的角动量为+h，只能产生△MF =+1的跃迁。
基态MF=+2子能级上原子若吸收光子就将跃迁到MF=+3的状态，但52P1/2各子能级最高为MF=+2。
因此基态中MF=+2子能级上的粒子就不能跃迁，换言之其跃迁几率为零。
见图。
由52P1/2到５２S1/2的向下跃迁（发射光子）中，△MF=0，+1的各跃迁都是可能的。
经过多次上下跃迁，基态中MF=+2子能级上的子粒子数只增不减，这样就增加了粒子布居数的差别。
这种非平衡分布称为粒子数偏极化。
类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，最后都布局在基态F=2，且MF=-2的子能级上。
原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于密集称之为光抽运。
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）驰豫时间在热平衡条件下，任意两个能级E1和E2上的粒子数之比都服从波耳兹曼分布N 2/N1=e-△E/kT,式中△E= E2-E1是两个能级之差，N1、N2分别是两个能级E1、E2上的原子数目，k是玻耳兹曼常数。
由于能量差极小，近似地可认为个子能级上的粒子数是相等的。
光抽运增大了粒子布居数的差别，使系统处于非热平衡分布状态。
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就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，就要尽量减少返回波耳兹曼分布的趋势。
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偏极化，不利于实验的进行。
然而铷原子与磁性很弱的气体如氮（N2）或氖（Ne）碰撞，对铷原子状态的扰动极小，不影响原子分布的偏极化。
因此在铷样品泡中充入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52P1/2态的原子需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利于粒子更快的被抽运到MF=+2子能级的过程。
铷样品泡温度升高，气态铷原子密度增大，则铷原子与器壁及铷原子之间的碰撞都要增加，使原子分布的偏极化减小。
而温度过低时铷蒸气的原子数不足，也使信号幅度变小。
因此有个最围，一般在40o-60oC之间。
（四）塞曼子能级之间的磁共振因光抽运而使Rb87原子分布偏极化达到饱和以后，铷蒸气不再吸收D1σ╋光，从而使透过铷样品泡的D1σ╋光增强。
这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场B的方向加一频率为υ的射频磁场，当υ和B之间满足磁共振条件(7)时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。
跃迁遵守选择定则△F=0, △MF=±1铷原子将从 MF =±2的子能级向下跃迁到各子能级上，即大量原子由MF=+2的能级跃迁到MF =+，以后又跃迁到MF=0,-1,-2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D1σ╋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MF=-2,-1,0,+1 各能级被抽运MF=+2 的子能级上。
随着粒子数的偏极化，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率大几个数量级，因此光抽运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。
Rb85也有类似的情况，只是D1σ╋光将Rb85抽运到基态MF=+3的子能级上，在磁共振时又跳回到MF=+2，+1,0,-1,-2,-3等能级上。
射频（场）频率υ和外磁场（产生塞曼分裂的）B两者可以固定一个，改变另一个以满足磁共振条件（7）。
改变频率称为扫频法（磁场固定），改变磁场称为扫场法（频率固定）。
本实验装置是采用扫场法。
（五）光探测投射到铷样品泡上的D1σ╋光，一方面起光抽运作用，另一方面，透射光的强弱变化反映样品物质的光抽运过程核磁共振过程的信息，因此又可以兼做探测光，用以观察光抽运和磁共振。
这样对铷样品加一射频场（同时存在着使铷原子产生塞曼分裂的磁场），用D1σ╋光照射铷样品泡，并探测透过样品泡的光强，就实现了光抽运-磁共振-光探测。
在探测过程中射频（106Hz）光子的信息转换成了频率高的光频（1014Hz）光子的信息，这就使信号功率提高了8个数量级。
样品中Rb85和Rb87都存在，都能被D1σ╋光抽运而产生磁共振。
为了分辨是Rb85还是 Rb87参与磁共振，可以根据它们的与偏极化有关能态的gF因子不同加以区分。
对于Rb85，由基态中F=3的态的gF 因子可知υ/B=μBgF/h=0.467MHz/Gs,对于Rb87, 由基态中F=2的态的gF 因子可知υ/B=0.700 MHz/Gs。
二、实验仪器本实验系统有主体单元，电源，辅助源，射频信号发生器及示波器五部分组成。
见图。
1 主体单元：主体单元是该实验装置的核心，如图3所示。
由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。
天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约52mm的玻璃泡内，该如泡两侧对称放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁场。
这个铷吸收泡和射频线全都置于圆柱形恒温槽内，称它为“吸收池”。
槽内温度约在55度左右。
吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心。
小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。
大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它是铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。
另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场。
铷光谱灯作为抽运光源。
光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两头镜的焦距为77mm，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再会聚到光电池上。
干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）从铷光谱中选出光（波长为7948埃）。
偏振片和1/4波片（和准直透镜装在一起）使光成为左旋圆偏振光。
偏振光对基态朝精细塞曼能级有不同的跃迁几率，可以在这些能级间造成较大的粒子数差。
当加上某一频率的射频磁场时，将产生“光磁共振”。
在共振区的光强由于铷原子的吸收而减弱。
通过大调场法，可以从终端的光电探测器上得到这个信号。
经放大可从示波器上显示出来。
铷光谱灯是一种高频气体放电灯。
他由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。
铷灯泡放置在高频震荡回路的电感线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。
整个振荡器连同铷灯泡放在同一恒温槽内，温度控制在90摄氏度左右。
高频振荡器频率约为65 MHz。
光电探测器接收透射光强度变化，并把光信号转成电信号。