光泵磁共振
光泵磁共振
e µ J = −g J PJ 2m
gJ = 1+ J ( J + 1) − L( L + 1) + S ( S + 1) 2 J ( J + 1)
称为 Longde 因子
2．J-I耦合情况下原子总磁矩 耦合情况下原子总磁矩
e µF = −g F PF 2m
光泵磁共振 实验
背景： 背景：
对于固态样品， 核磁共振、 对于固态样品，用 核磁共振、电子自旋共振方法可以研究 原子的精细结构、 原子的精细结构、超精细结构及因磁场存在而分裂的塞曼子能 因为固态样品的浓度大，共振较强。 级。因为固态样品的浓度大，共振较强。 但是，对于气态样品，因为样品浓度较低， 但是，对于气态样品，因为样品浓度较低，很难得到理想 强度的共振信号，所以， 强度的共振信号，所以，要想透过上述方法研究原子的精细结 超精细结构及塞曼分裂非常困难。 构、超精细结构及塞曼分裂非常困难。 上世纪50 50年代法国科学家 卡斯特莱（Kastler） 上世纪50年代法国科学家 卡斯特莱（Kastler）提出采用 光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子， ），即用圆偏振光来激发原子 光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在 能级间的热平衡，造成原子在各能级上的偏激化分布， 能级间的热平衡，造成原子在各能级上的偏激化分布，这时再 以相应频率的射频场激励原子使其产生磁共振， 以相应频率的射频场激励原子使其产生磁共振，并采用光探测 使探测信号灵敏度有很大提高。 法，使探测信号灵敏度有很大提高。 这个方法的出现，不仅使微观粒子结构的研究前进了一步， 这个方法的出现，不仅使微观粒子结构的研究前进了一步， 而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。 而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。 1966年 卡斯特莱（Kastler） 1966年，卡斯特莱（Kastler）因发现和发展了研究原子中核磁 共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。 共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。
实验光泵磁共振实验
实验 光泵磁共振实验在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。
光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。
在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。
由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。
三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。
如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。
此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。
本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。
它是典型的波谱学教学实验之一。
实验原理1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子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。
n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。
基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。
由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。
轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P+=。
实验 光泵磁共振实验
实验 光泵磁共振实验在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。
光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。
在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。
由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。
三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。
如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。
此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。
本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。
它是典型的波谱学教学实验之一。
实验原理1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子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。
n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。
基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。
由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。
轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P+=。
5-2 光泵磁共振
5.2 光泵磁共振观测气体原子的磁共振信号是很困难的，因为气态物质比凝聚态物质的磁共振信号微弱得多．1950年，法国物理学家卡斯特勒（A. Kastler ）发明了光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和原子频标的发展打下了基础，卡斯特勒因而荣获了1966年的诺贝尔物理学奖．光泵磁共振（optical pumping magnetic resonance ，OPMR ），实际上是一个射频信号可以控制一个光频信号的吸收过程．本实验以铷（Rb ）原子气体为样本，观察光磁共振现象，并测量85Rb 和87Rb 两种同位素原子的朗德g F 因子．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．研究铷原子能级的超精细结构；3．测定铷同位素85Rb 和87Rb 的朗德因子g F ．二、实验原理1．铷原子的基态和最低激发态铷（Rb ，Z ＝37）是一价碱金属元素，天然铷有两种稳定的同位素：85Rb （占72.15%）和87Rb （占27.85%）．它们的基态都是52S 1/2，即主量子数 n ＝5，轨道量子数 L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数 J ＝1/2（L -S 耦合）．在L -S 耦合下，铷原子的最低光激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数 L ＝1，自旋量子数S ＝1/2，电子的总角动量量子数 J = L +S 和 L -S ，即 J = 3/2 和1/2，L -S 耦合形成双重态：52P 1/2和52P 3/2．这两个状态的能量不相等，原子能级产生精细分裂，因此，从5P 态到5S 态的跃迁产生双线，分别称为D l 和D 2线，它们的波长分别是794.8 nm 和780.0 nm ，其形成过程表示在图5.2.1中．图5.2.1 Rb 原子光谱的D 双线结构．通过L -S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩μJ 为 其中就是著名的朗德（Longde ）因子，m 是电子质量，e 是电子电荷．原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示．核角动量P I 和核外电子的角动量 P J 耦, (5.2.1)2J J J e g P mμ=-()()()()1111, (5.2.2)21J J J L L S S g J J +-+++=++合成一个更大的角动量，用符号P F 表示，其量子数用F 表示，则与此角动量相关的原子的总磁矩μF 为其中通过原子核角动量−电子总角动量耦合，得到原子的总角动量P F ，总角动量量子数F = I +J ，…，|I -J |．F 不同的原子状态的能量不相等，原子能级产生超精细分裂．我们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相同．我们以87Rb 为例，介绍超精细分裂的情况．对于电子态52S 1/2，角动量P J 与角动量P I 耦合成的总角动量P F 有两个量子数：F ＝I +J 和I -J ，即 F ＝2和l ．同样，对于电子态52P 1/2，耦合成的总角动量P F 也有两个量子数：F =2和l ．而对于电子态52 P 3/2，耦合后的总角动量P F 有四个量子数：F =3，2，l ，0．在有外静磁场B 的情况下，总磁矩将与外磁场相互作用，使原子产生附加的能量其中 μB = e ħ/2m = 9.274×10-24 JT -1为玻尔磁子，M F 是P F 的第三分量P z 的量子数，M F ＝-F ，-F +1，...，F -1，F ，共有2F +1个值．我们看到原子在磁场中的附加能量E 随M F 变化，原来对M F 简并的能级发生分裂，称为塞曼效应，一个F 能级分裂成2F +1个子能级，相邻子能级间的能量差为我们可以画出原子在磁场中的塞曼分裂情况，如图5.2.2所示．实验中D 2线被滤掉，所以所涉及的52 P 3/2态的分裂也就不用考虑．图5.2.2 87Rb 原子能级的超精细分裂和塞曼分裂．2．光抽运效应在热平衡状态下，各能级的粒子数分布遵从玻尔兹曼统计规律．由于超精细塞曼子能级间的能量差很小，可近似的认为由铷原子52S 1/2态分裂出的8条子能级上的原子数接近均匀分布；同样，由52P 1/2态分裂出的8条子能级上的原子数也接近均匀分布．但这不利于观测这些子能级间的磁共振现象．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．. (5.2.3)F I J P P P =+, (5.2.4)2F F F e g P mμ=-()()()()111. (5.2.5)21F J F F I I J J g g F F +-+++=+B , (5.2.6)22F F z F F F F e e E B g P B g M B M g B m m μμ=-⋅=== B . (5.2.7)F E g B μ∆=实验中，我们要对铷光源进行滤光和变换，只让左旋圆偏振（D1σ+）光通过并照射到铷原子蒸气上．处于磁场中的铷原子对左旋圆偏振光的吸收遵守如下的选择定则：ΔF＝±1,0；ΔM F ＝+l．根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图5.2.3左半部分所示．我们看到，5S能级中的8条子能级，除了M F＝+2的子能级外，都可以吸收（D1σ+）光而跃迁到5P的有关子能级；另一方面，跃迁到5P能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回5S能级，发出自然光，退激跃迁的选择定则是：ΔF＝±1,0；ΔM F＝±1,0．相应的跃迁见图5.2.3的右半部分．我们注意到退激跃迁中有一部分原子的状态变成了5S能级中的M F=+2的状态，而这一部分原子是不会吸收光再跃迁到5P能级去的，但是那些回到其他7个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到5P能级．当光连续照着，跃迁5S→5P→5S→5P的过程就会持续下去．这样，5S态中M F=+2 的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（D1σ+）光的吸收越来越弱，透射光强逐渐增强，最后，差不多所有的原子都跃迁到了5S态的M F=+2的子能级上，其余7个子能级上的原子数少到如此程度，以至于没有几率吸收光，透射光强测量值最大．我们把此时原子的状态称为“偏极化”状态．图5.2.3 87Rb原子对（D1σ+）光的吸收和退激跃迁．通过以上的讨论可以得出这样的结论：在没有（D1σ+）光照射时，5S 态上的8个子能级几乎均匀分布着原子，而当（D1σ+）光持续照着时，较低的7个子能级上的原子逐步被“抽运”到M F=+2的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象，这就是光抽运效应．对于85Rb，（D1σ+）光是将原子抽运到M F=+3的子能级上．顺便指出：如果入射光是（D1σ-）（即右旋圆偏振光），处于磁场中的铷原子对右旋圆偏振（D1σ-）光的吸收遵守的选择定则为：ΔF＝±1,0；ΔM F＝-l．跃迁过程与图5.2.3所示类似，只是原子被“抽运”到M F=-2的子能级上．如果入射光是π光（电矢量方向与磁场方向平行），处于磁场中的铷原子对π光的吸收遵守的选择定则为：ΔF＝±1,0；ΔM F＝0．即每一个子能级上的原子都可以向上或向下跃迁，原子不会在某一个能级上产生积聚，所以铷原子对π光有强烈吸收但无光抽运效应．3．弛豫过程光抽运使得原子在能级上的分布趋于偏极化而达到非平衡状态，原子系统将会通过弛豫过程恢复到热平衡状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内冲入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡内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铷原子在能级上的分布，从而保持铷原子系统有较高的偏极化程度．4．光磁共振与光检测在“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，并且调整射频量子的频率ν，使之满足这时将出现“射频受激辐射”．即在射频场的扰动下，处于M F =+2子能级上的原子会放出一个频率为v 、方向和偏振态与入射射频量子完全一样的量子而跃迁到M F ＝+l 的子能级上，M F =+2上的原子数就会减少；同样，M F =+1子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到M F ＝0的子能级上，即发生了磁共振，（5.2.8）式为共振条件．如此下去，5S 态的子能级上很快就都有了原子，于是又开始光抽运过程，透射光强测量值降低．由于在偏极化状态下样品对入射光的吸收很少，透过样品泡的（D 1σ+）光已达最大；但是一旦发生磁共振跃迁，样品对（D 1σ+）光的吸收将增大，则透过样品泡的（D 1σ+）光必然减弱．即只要测量透射光强度的变化就可实现对磁共振信号的检测．由此可见，作用在样品上的（D 1σ+）光，一方面起抽运作用，另一方面可把透过样品的光作为检测光，即一束光同时起到了抽运和检测两重作用．三、实验装置本实验使用的是DH807A 型光磁共振实验仪，它由主体单元、信号源、主电源和辅助电源等部分组成．其中信号源提供频率和幅度可调的射频功率信号；主电源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电流；辅助源提供水平磁场调制信号（10 Hz 方波和10 Hz 三角波，调制电流的方向可反转）以及对样品室温度的控制．主体单元是本实验的核心，如图5.1.4所示，它由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光探测器以及两组亥姆霍兹线圈组成．图5.1.4 主体单元示意图．天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约52 mm 的玻璃泡内，玻璃泡的两侧对称放置一对小射频线圈，它为磁共振提供射频磁场．这个铷吸收泡和射频线圈都置于圆柱形恒温槽内，称它为“吸收池”，槽内温度约在55°C 左右．吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心．垂直磁场线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量．水平磁场线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它使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，两透镜的焦距为77 mm ，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再汇聚到光电池上．干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）从铷光谱中选出D 1光．偏振片和 1/4 波片（和准直透镜装在一起）使出射光成为左旋圆偏振光．发生磁共振时，透过铷吸收泡的光强由于铷原子的吸收而减弱，经过终端的光电探测器测量并放大，通入示波器进行观察。
光泵磁共振-物理试验
实验 4.5 光泵磁共振20世纪50年代初期，法国科学家卡斯特莱（A.Kastler）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，使得在低浓度下有较高的共振强度。
这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。
这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。
1966年, A.Kastler由于发现和发展了研究原子中核磁共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔物理奖。
一、实验目的1.加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解；2.掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法；3.测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
二、仪器与用具光泵磁共振实验装置、射频信号发生器、示波器、频率计等三、实验原理1．铷（Rb）原子基态及最低激发态的能级铷是一价的碱金属，它的价电子处于第5壳层，主量子数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2。
由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S耦合）发生能级分裂，形成原子的精细结构(如图1)。
电子总角动量的量子数J=L+S，L+S-1，…，|L-S|。
对于铷原子的基态，L=0，S=1/2，故J=1/2；其最低激发态，L=1，S=1/2，故J=1/2和2/3。
在5P与5S 能级之间产生的跃迁是铷原子光谱主线系第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特变大。
52P1/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D1线，波长是7947A；52P3/2到52S1/2的跃迁产生的谱线为D2线，波长是7800A。
互作用造成能级的附加分裂，称为超精细结构(如图2)。
铷元素在自然界主要有两种同位素Rb 87和Rb 85。
两种同位素Rb 87和Rb 85核的自旋量子数I 是不同的。
核自旋角动量P I 与电子总角动量P J 耦合成P F （P F =P I +P J ），耦合后的总量子数F=I+J ，…，︱I -J ︱, Rb 87的I = 3/2，Rb 85的I = 5/2，故Rb 87基态的F=1和2； Rb 85的基态的F=2和3。
实验29 光泵磁共振
实验29 光泵磁共振光泵磁共振是利用光抽运技术来研究原子超精细结构的塞曼子能级间磁共振现象的光磁双共振技术，在五十年代初由A.Kastler 等人提出。
虽然气体原子的塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，但由于运用了光探测技术，光泵磁共振既保存了磁共振信号高分辨率的特点，又提高了探测信号的灵敏度，灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。
因而，在研究原子、分子内部微观结构及弱磁场精密测量等方面具有广泛的应用。
一、 实验目的1.了解光泵磁共振的基本知识，熟悉光抽运-磁共振-光检测的实验方法。
2.测量87Rb 和85Rb 的g F 因子。
二、 实验原理1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂本实验的研究对象是铷(Rb)气态自由原子，天然Rb 由72.15%的85Rb 和27.85%的87Rb 组成。
Rb 原子是一价碱金属原子，原子序数是37，价电子处于第5壳层，主量子数n=5，L=0，1，…，n-1，基态L=0，最低激发态L=1。
由电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S 耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。
对于Rb 原子，基态为52S 1/2，最低激发态是52P 1/2，52P 3/2，5P 与5S 能级之间产生的跃迁是原子主线系的第一条线，对应的两条谱线是7948Å（D 1线）和7800Å（D 2线）。
考虑到原子核有自旋和磁矩，核磁矩与电子总磁矩之间相互作用将造成能级的附加分裂，这种附加分裂称为超精细结构。
87Rb 和85Rb 的核自旋量子数I 分别为3/2和5/2。
核自旋角动量P I 与电子总自旋角动量P J 相互耦合，这种耦合称为I-J 耦合，形成总角动量P F ，P F =P I +P J 。
I-J 耦合形成超精细结构能级，用总量子数F 标记，F=I+J ，…，∣I-J ∣。
对于87Rb ，对应I=3/2，基态J=1/2，F=1，2；对于85Rb ，对应I=5/2，基态J=1/2，F=2，3。
光泵磁共振
光泵磁共振光泵磁共振光泵磁共振的基本思想是卡斯特勒（A.Kastlar）在50年代提出的，它是利用光抽运（0ptical pumping）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
这个磁共振信号是非常弱的，而本实验应用了光泵的光检测的方法，使磁共振分辨率高（可达10-11T）的优点得到了保持，同时还能将探测灵敏度至少提高10个左右数量级。
此方法不仅可以用于基础性研究，对于其它实用测量技术方面也有广泛的应用。
实验中是以天然铷（Rb）为样品，研究碱金属铷原子基态光磁双共振。
一、实验目的（1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
（2）测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。
实验重点：实验装置中磁场的作用。
实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量二、实验原理光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。
这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。
1、铷原子基态和最低激发态的能级天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。
由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，|L—S|。
铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。
铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。
已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量P J与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–g J eP J/（2m e）（13-1）J（J+1）—L（L+1）+S（S+1）g J=1+ ───────────────（13-2）2J（J+1）但铷原子的核自旋I≠0。
光泵磁共振实验 - 复旦大学
光泵磁共振实验陈骋0830*******摘要： 本实验介绍产生光抽运信号和磁共振信号的原理，测量分析了垂直磁感应强度对于信号幅度的影响原因。
关键字： 光抽运信号 磁共振信号 竖直方向磁场引言：光泵磁共振实验包括了原子物理中很多的内容，其中用光抽运-磁共振-光探测技术，对于原子、离子和 的研究有着非常重要的意义，使我们更加深刻了对于微观粒子结构的认识光泵磁共振实验装置示意图实验原理光抽运信号的产生当磁场扫过零（水平零场总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能及随之发生改变，简并随即再次分裂。
在这个时候，铷原子分布由于碰撞等导致自选方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后个塞曼子能级上的离子数又接近相等，对光的吸收又达到最大，就能观察到光抽运信号。
磁共振信号的产生磁共振波破坏了粒子分布的偏极化，引起新的光抽运信号。
也就是说如果磁场与射频信号满足F B hv g B μ=，那么铷原子分布又会失去偏极化，产生磁共振信号，而光抽运信号的跃迁速率比磁共振跃迁速率大，所以两者之间会达到一个动态平衡。
实验内容垂直磁感应强度对光抽运信号幅度的影响为了得到光磁共振信号，实验中先调节垂直场电流，使得垂直场合地磁场的垂直分量相互抵消，接着调整水平场，把扫场信号换成三角波。
水平场、扫场以及地磁场水平分量相互叠加作用，使得铷原子产生塞曼分裂。
在实验中垂直磁感应强度变化时，示波器的光抽运信号振幅是不一样的。
在先设定水平磁感应强度不变的情况下，消除地磁场垂直磁场的影响。
由此测得垂直磁场电流为0.070A ，由公式012()/(2)F B B v v h g μ=+，得到对应电流为0.070A ，计算所得磁感应强度0.21Gs 。
取水平磁感应强度电流为0.018A 、0.025A 和0.032A 。
在三种情况下，光抽运信号幅度和磁感应强度关系。
如果我们作一个归一化图像，做归一化的原因是由于地磁场有一个垂直于光线传播方向又垂直于分解地磁场竖直方向的分量，这个分量可能是因为仪器的放置造成的，也可能是竖直地磁场的影响并没有完全消除，因为我们并不能确定仪器的抵消地磁场竖直分量所用的垂直场和地磁场是完全在一条轴上，另外也有可能是测量造成的误差，但是可以确定的是这个分量是一个cos的角度，也就是说归一化以后可以消除这样的一个误差。
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中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩 ______________ 班级： 材物11-2 姓名： 闫霞 同组者： 王佳宁 教师 周丽霞光泵核磁共振实验【实验目的】1、观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。
2、观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子 【实验原理】1.铷原子基态和最低激发态的能级Rb 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，如图 7-3-1所 示。
原子的价电子在L-S 耦合中，其总角动量P j 与电子总磁矩j 的关g j 是朗德因子，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Rb 的两种同位素的自旋量子数I 是不同的，核自旋角动量P I 与电子总角动量P j 耦合成原子的总角动量P F ,有P F P jP I 。
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-1，…，|I-J|。
87Rb 的1=3/2，它的基态J=1/2，具有F=2和F=1两个状系为：Jg j2m P j(7-3-1)g jJ(J 1) L(L 1) S(S 1)2J(J 1)94794 TEwh T80. OrjL37-3-1 Kb 原子精细结构的形成态，如图7-3-2所示。
85 Rb的1=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P F与总磁矩F之间的关系可写为g Fe2m P F (7-3-3)g F 是对应于F 与P F 关系的朗德因子，可按类似于求g j 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P F 方向上的投影，从而得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，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M F 来表示，则M F =F, F-1,…，-F,即分裂成2F+1个子能级，间距相等，如图7-3-2 中右边部分。
F 与B 的相互作用能量为: e ehE F B gF —P F B g^-MF^T )B 9F M F B B2m 2m2 冗式中B 为玻耳磁子。
各相邻塞曼子能级的能量差为：E g FB B(7-3-6)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2.圆偏振光对Rb 的激发与光抽运效应气态87Rb 原子受D 1左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则F 0, ± 1 ，M F 1。
在由52S 1/2能级到52R /2能级的激发跃迁中，由于D 1光子的角动量为h/2冗，只能产生 M F 1的跃迁。
基态M F2子能级上原子若吸收光子就将跃迁到 M F3的状态,g FF(F 1) J(J 1) 1(11)g j2F(F 1)(7-3-4)(7-3-5 )L-啜吉图7-3-2 87 Rb 原子能级超精细分裂图7-3-387Rb 原子对D J 光的吸收和退激跃迁由52 P i/2到52S /2的向下跃迁(发射光子)中， M F 0,1的各跃迁都是有可能的。
当原子经历无辐射跃迁过程从52 P i/2回到52S I /2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M F 2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M F2的子能级上。
经过多次上下跃迁，基态中的M F2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。
3. 驰豫过程在热平衡条件下，任意两个能级 E i 和E 2上的粒子数之比都服从玻耳兹曼分布N 2/N 1 e E/k ，式中E E 2 E i 是两个能级之差，N i,N 2分别是两个能级E i 、E 2上的原子 数目，k 是玻耳兹曼常数。
由于能量差极小，近似地可以认为各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。
4. 塞曼子能级之间的磁共振在垂直于产生塞曼分裂的磁场 B 的方向加一频率为 的射频磁场，当 和B 之间满足以 下磁共振条件时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。
h g F B B(7-3-7 )跃迁遵守选择定则△ F=0, M F1原子将从M F2的子能级向下跃迁到各子能级上，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D i 光而进行新的抽运,2。
因此基态中M F 2子能级上的粒子就不能跃迁但52R /2各自能级最高为M F透过样品泡的光就变弱了。
随着抽运过程的进行，粒子又从M F 2, 1,0, 1各能级被抽运到M F2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。
85Rb也有类似的情况，只是D i光将85Rb抽运到基态M F3的子能级上, 在磁共振时又跳回到M F 2, 1,0, 1, 2, 3等能级上。
5. 光磁共振的观察射频（场）频率和外磁场（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（7-3-7 ）。
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。
在加入了周期性的“扫描场”以后，总磁场为：B otai =E D+E S+B//其中B oe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，B e//是地球磁场的水平分量，B S是周期性的扫描场，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。
1 ）用方波观察“光抽运”将直流磁场B oe调到零，加上方波扫场信号，其波形见图7-3-4，它是关于零点对称的。
图7-3-4 “光抽运”的形成和波形2 ）三角波观察光磁共振调节直流磁场B DC至某个值，加上三角波“扫场”信号和射频信号，通过调节“扫场”幅度和射频信号的频率，可以观察到如图7-3-5所示的光磁共振信号。
当光磁共振发生时，满足量子条件：h 1 g F B（B DC B S B e?》（7-3-8）通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可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7-3-5所示的状态，记下射频的频率v 2,则有如下的量子条件成立：由以上两式得:直流磁场B DC 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)B DC10 7 ( T ) ( 7-3-11)5 r式中N 和r 是N 和r 是两个水平磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。
光聲V--------- 1 -----------------------------------------1 --------------------------- ►图7-3-5光磁共振的信号图像I样品中同时存在8 Rb 和*5Rb,—般在示波器上能先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，可依据 g F 因子的值来判断共振信号是哪一种原子引起的，因为两种原子的g F 因子之比为：113 3 > 115 5g F (87Rb) 2(2 1)2(1 2) 2(12) 3(3 1) 2(1 2)* 2)3( 7-3-12 )g F(85Rb)2 2 (2 1)2 3 (3 1)2在光磁共振实验中，还能测量到地球磁场的水平分量B e?的值，这为光磁共振提供了另一个应用，方法如下：在测量出g F 因子之后，在(7-3-9 )式的基础上，同时将B DC 和B S 倒向，调节 射频的频率至V 3,出现如图7-3-6所示的信号，则有如下量子条件成立图7-3-6 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像由(7-3-9 )式加(7-3-13 )式得:g F B (B DCB S B e?)(7-3-9)g Fh(12)2 BB DC(7-3-10 )h 3 g F B (B DC B S B e??(7-3-13)图7-3-8 主体单元示意图【实验内容】1 •观测光抽运信号：1） 将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，射频信号发生器“幅度调 节”旋钮调至最小，接通主电源开关和池温开关，约 30分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。
2） 调节“水平场”旋钮，调节水平磁场线圈电流的大小在 0.20A 以下，将指南针置于吸 收池上边，判断水平磁场和地磁场的方向关系， 改变水平场的方向，使水平场方向与地磁场水 平方向相反，然后将指南针拿开，并且将水平磁场线圈电流调至最小。
3） 扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。
再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方 向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。
4） 预置垂直场电流为0.07A ，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度，使光抽运信 号幅度等高【实验装置】本实验系统见图7-3-7e?=h2g F3)B(7-3-14 );至赵诂||图7-3-7 光磁共振实验装置方框图ft® ^3l,f W F/T土直「恤光颐 卅2 •观测光磁共振信号1扫场方式选择“三角波”，幅度保持1状态，设置水平磁场方向、扫场方向和地磁场水平分量相同，垂直场的大小和方向保持1状态，调节射频信号发生器“幅度调节”旋钮，使射频信号峰峰值在4.5V。
在水平场电流分别为0.24A，0.20A和0.18A时，调节射频信号发生器频率，观察共振信号，读出对应的频率V 1。
2）按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。
仍用上述方法，可得到V 2,则利用公式（7-3-10 ）可求出g F因子。
F3 •测量地磁1）同测g F因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得V 1；2 ）再按动扫场及水平场方向开关，使扫场、水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到V 3。
这样由（7-3-14 ）式可得地磁场水平分量B e//，并根据B e= （B2e//+B2e）1/2可得到地磁场的大小。
3 ）垂直磁场由下式计算B 32其107（T）（7-3-15 ）5 r式中N和r是两个垂直磁场线圈每边的线圈匝数和线圈有效半径。
因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的I值是流过单个线圈的电流。
表7-3-1厂家给出的线圈参数【数据处理】一、测量g F因子表1测量g F数据表因此实验数据和结果与理论基本相符、测量地磁场表2测量地磁场数据表利用式（7-3-15 ）可得垂直方向上的地磁场的平均强度为:地磁场的强度大小为：B （B /2B 2「25. 87 10 4（T ）六、思考题1、在寻找和观察光抽运信号时，一开始可能找不到光抽运信号，试分析有哪几种可能的原因 1）刚开始时没有很好的预热，是池温达到指定的要求； 2）“垂直场”、“水平场”、“扫 场幅度”旋钮未调至最小，射频信号发生器“幅度调节”旋钮未调至最小，或实验装置还进 入工作状态，光抽运信号还未形成；3）水平场方向与地磁场水平方向相同而 扫场方向与地 磁场相反，反之亦然；4）光抽运信号未饱和，观察不明显。