光磁共振實驗裝置用于近代物理實驗。該實驗所涉及的物理內(nèi)容豐富，可使學生直觀的了解到光學、電磁學及無線電子學等方面的知識，并能定性或定量的了解到原子內(nèi)部的很多信息。它是典型的波譜學教學實驗之一。光磁共振實驗中使用了光泵及光電探測技術(shù)，其靈敏度比一般磁共振探測技術(shù)高幾個數(shù)量級。這一方法在基礎物理學的研究 、磁場的精確測量以及原子頻標技術(shù)等方面都有廣泛的應用。 >P. 'CU  
一．實驗目的 ;9uRO*H?T  
1．  掌握光抽運和光檢測的原理和實驗方法，加深對超精細結(jié)構(gòu)、光躍遷及磁共振的理解 。 .>6 Wv0  
2．  測定銣87及銣85 的因子，地磁場垂直和水平分量等，培養(yǎng)分析物理現(xiàn)象和處理實驗數(shù)據(jù)的能力。 p D=w>"  
二．實驗原理 z"F*\xa  
（一）銣(Rb)原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)的能級 g\M5:Qm  
    實驗研究對象是銣的氣態(tài)自由原子。銣是堿金屬，它和所有的堿金屬原子Li、Na、K一樣，在緊緊束縛的滿殼層外只有一個電子。銣的價電子處于第五殼層，主量子數(shù)n=5。主量子數(shù)為n的電子，其軌道量子數(shù)L=0,1, …,n－1。基態(tài)的L=0，最低激發(fā)態(tài)的L=1。電子還具有自旋，電子自旋量子數(shù)S=1/2。 ")lw9t`  
由于電子的自旋與軌道運動的相互作用（即L－S耦合）而發(fā)生能級分裂，稱為精細結(jié)構(gòu)。軌道角動量Ps、的合成角動量PJ=PL+PS。原子的精細結(jié)構(gòu)用總角動量量子數(shù)J來標記，J=L+S,L+S-1, …,│L-S│。對于基態(tài)，L=0和S=1/2,因此Rb基態(tài)只有J=1/2。其標記為５２S1/2。銣原子最低激發(fā)態(tài)是52P1/2及52P3/2雙重態(tài)。這是由于軌道量子數(shù)L=1，自旋量子數(shù)S=1/2。52P1/2態(tài)的J=1/2, 52P3/2態(tài)的J=3/2。５Ｐ與５Ｓ能級之間產(chǎn)生的躍遷是銣原子主線系的第１條線，為雙線。它在銣燈光譜中強度是很大的。52P1/2→５２S1/2躍遷產(chǎn)生波長為7947.6?的D1譜線，52P3/2→５２S1/2躍遷產(chǎn)生波長7800?的D2譜線。 $1*3!}_0  
原子的價電子在LS耦合中，總角動量PJ與原子的電子總磁矩μJ的關(guān)系為　　　　　　　　　　 }{],GHCjQ  
                                                         (1) gY9\o#)
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　　　　　　　                                 (2)     x|~zHFm6  
gJ是朗德因子，J、L和S是量子數(shù)。 mxqG-*ch-  
核具有自旋和磁矩。核磁矩與上述原子的電子總磁矩之間相互作用造成能級的附加分裂。這附加分裂稱為超精細結(jié)構(gòu)。銣元素在自然界中主要有兩種同位素，Rb87占27.85%, Rb85占72.15%。兩種同位素銣核的自旋量子數(shù)I是不同的。核自旋角動量PI與電子總角動量PJ耦合成PF,有PF＝PI＋PJ。JI耦合形成超精細結(jié)構(gòu)能級，由F量子數(shù)標記，F(xiàn)=I+J、…, │I-J│。Rb87的I=3/2,它的基態(tài)J=1/2,具有F=2和F=1兩個狀態(tài)。Rb85的I=5/2，它的基態(tài)J=1/2，具有F=3和F=2兩個狀態(tài)。 :wgfW .w  
                             $;D* n'8Fx  
整個原子的總角動量PF 與總磁矩μF之間的關(guān)系可寫為 eK`PxoTI-I  
                                                                (3) O%1/r*  
其中的gF因子可按類似于求gJ因子的方法算出。考慮到核磁矩比電子磁矩小約3個數(shù)量級，μF實際上為μJ在PF方向的投影，從而得 +3^NaY`Y  
                                             (4) .
`C V^\  
    gF是對應于μF與PF 關(guān)系的朗德因子。以上所述都是沒有外磁場條件下的情況。 E,*&BDW  
               =ak7ldA=2  
如果處在外磁場B中，由于總磁矩μF與磁場B的相互作用，超精細結(jié)構(gòu)中的各能級進一步發(fā)生塞曼分裂形成塞曼子能級。用磁量子數(shù)MF來表示，則MF=F,F-1,…,-F，即分裂成2F+1個子能級，其間距相等。μF與B的相互作用能量為 [>w%CY<Fd  
AZZRa69=  
                          (5) 0\a8}b||  
   式中μB為玻爾磁子。Rb87的能級、Rb85的能級見圖，為了清楚，所有的能級結(jié)構(gòu)圖均未按比例繪制。各相鄰塞曼子能級的能量差為                                                      (6) O]nT>;PXX  
   可以看出△E與B成正比。當外磁場為零時，各塞曼子能級將重新簡并為原來能級。 U=!@Db5k~  
             |pWaBh|r  
（二）增大粒子布居數(shù)之差，以產(chǎn)生粒子數(shù)偏極化 d\]O'U)s  
氣態(tài)Rb87原子受D1σ╋左旋偏振光照射時，遵守光躍遷選擇定則 $3\yf?m}q  
                  △F=0,±1          △MF=+1 d(L{!mm  
    在由５２S1/2能級到 52P1/2能級的激發(fā)躍遷中，由于σ╋光子的角動量為+h，只能產(chǎn)生△MF=+1的躍遷。基態(tài)MF=+2子能級上原子若吸收光子就將躍遷到MF=+3的狀態(tài)，但52P1/2各子能級最高為MF=+2。因此基態(tài)中MF=+2子能級上的粒子就不能躍遷，換言之其躍遷幾率為零。見圖。由52P1/2到５２S1/2的向下躍遷（發(fā)射光子）中，△MF=0，+1的各躍遷都是可能的。 Gq]d:-7l  
經(jīng)過多次上下躍遷，基態(tài)中MF=+2子能級上的子粒子數(shù)只增不減，這樣就增加了粒子布居數(shù)的差別。這種非平衡分布稱為粒子數(shù)偏極化。類似地，也可以用右旋圓偏振光照射樣品，最后都布局在基態(tài)F=2，且MF=-2的子能級上。原子受光激發(fā)，在上下躍遷過程中使某個子能級上粒子過于密集稱之為光抽運。光抽運的目的就是要造成基態(tài)能級中的偏極化，實現(xiàn)了偏極化就可以在子能級之間進行磁共振躍遷實驗了。 bsO@2NP'  
                        93w~.p  
（三）馳豫時間 M#0 @X  
在熱平衡條件下，任意兩個能級E1和E2上的粒子數(shù)之比都服從波耳茲曼分布N2/N1=e-△E/kT,式中△E= E2-E1是兩個能級之差，N1、N2分別是兩個能級E1、E2上的原子數(shù)目，k是玻耳茲曼常數(shù)。由于能量差極小，近似地可認為個子能級上的粒子數(shù)是相等的。光抽運增大了粒子布居數(shù)的差別，使系統(tǒng)處于非熱平衡分布狀態(tài)。 i7eI=f-
Q  
系統(tǒng)由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于平衡分布狀態(tài)的過程稱為馳豫過程。促使系統(tǒng)趨向平衡的機制就是原子之間以及原子與其它物質(zhì)之間的相互作用。在實驗過程中要保持原子分布有較大的偏極化程度，就要盡量減少返回波耳茲曼分布的趨勢。但銣原子與容器壁的碰撞以及銣原子之間的碰撞都導致銣原子恢復到熱平衡分布，失去光抽運所造成的偏極化，不利于實驗的進行。然而銣原子與磁性很弱的氣體如氮（N2）或氖（Ne）碰撞，對銣原子狀態(tài)的擾動極小，不影響原子分布的偏極化。因此在銣樣品泡中充入10托的氮氣，它的密度比銣蒸氣原子的密度大6個數(shù)量級，這樣可減少銣原子與容器以及與其它銣原子的碰撞機會，從而保持銣原子分布的高度偏極化。此外，處于52P1/2態(tài)的原子需與緩沖氣體分子碰撞多次才能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，由于所發(fā)生的過程主要是無輻射躍遷，所以返回到基態(tài)中八個塞曼子能級的幾率均等，因此緩沖氣體分子還利于粒子更快的被抽運到MF=+2子能級的過程。 &:!ij  
銣樣品泡溫度升高，氣態(tài)銣原子密度增大，則銣原子與器壁及銣原子之間的碰撞都要增加，使原子分布的偏極化減小。而溫度過低時銣蒸氣的原子數(shù)不足，也使信號幅度變小。因此有個最圍，一般在40o-60oC之間。 =,Ttw>  
（四）塞曼子能級之間的磁共振 5}a"?5J^  
因光抽運而使Rb87原子分布偏極化達到飽和以后，銣蒸氣不再吸收D1σ╋ 光，從而使透過銣樣品泡的D1σ╋ 光增強。這時，在垂直于產(chǎn)生塞曼分裂的磁場B的方向加一頻率為υ的射頻磁場，當υ和B之間滿足磁共振條件 k:P$LzIB  
                                                        (7) Q\#UWsN(T/  
時，在塞曼子能級之間產(chǎn)生感應躍遷，稱為磁共振。躍遷遵守選擇定則 Gc;B[/:  
                                           △F=0, △MF=±1 w:Q|?30  
     銣原子將從 MF=±2的子能級向下躍遷到各子能級上，即大量原子由MF=+2的能級躍遷到MF=+，以后又躍遷到MF=0,-1,-2等各子能級上。這樣，磁共振破壞了原子分布的偏極化，而同時，原子又繼續(xù)吸收入射的D1σ╋ 光而進行新的抽運，透過樣品泡的光就變?nèi)趿恕ｋS著抽運過程的進行，粒子又從MF=-2,-1,0,+1 各能級被抽運MF=+2 的子能級上。隨著粒子數(shù)的偏極化，透射再次變強。光抽運與感應磁共振躍遷達到一個動態(tài)平衡。光躍遷速率比磁共振躍遷速率大幾個數(shù)量級，因此光抽運與磁共振的過程就可以連續(xù)地進行下去。Rb85也有類似的情況，只是D1σ╋ 光將Rb85抽運到基態(tài)MF=+3的子能級上，在磁共振時又跳回到MF=+2，+1,0,-1,-2,-3等能級上。 If.n(t[M9  
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