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光磁共振 物理学院近代物理实验中心 沈壮志 实验背景 光磁共振技术是20世纪50年代初期法国物理学家卡斯特勒(A ·Kastler)提出的。1966年， Kastler由于在这方面的贡献而荣获诺贝尔奖。该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。将光抽运用圆偏光束激发气态原子的方法以打破原子在所研究的能级间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共振强度。在相应频率的射频场激励下，可观察到磁共振信号。 在探测磁共振信号方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射吸收。由于光量子的能量比射频量高七、八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。 实验目的 1、通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识； 2、掌握光磁共振的实验技术； 3、测定铷原子的朗德因子(g)和地磁场的强度。 实验原理 光抽运(光泵)：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成期望的居数差，它基于光和原子间的相互作用。 如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探测方法(直接探测原子对射频量子的吸收)，因光量子能量比射频量子的能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。 光磁共振： 是将光抽运、磁共振和光探测技术结合起来研究气态原子精细和超精细结构的一种实验技术。加深对原子磁矩、朗德因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。 1、铷原子的基态及最低激发态能级 研究对象：铷(Rb)的气态自由原子，价电子处于第五电子层，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. 原子精细结构的形成：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。 铷原子基态和最低激发态的形成：用J表示电子总角动量量子数，J=L+S,l+S-1,… 5、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)所需要的时间。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便极化。另外将温度保持在50-60摄氏度之间，尽量减少铷原子与容器壁的碰撞。 实验装置 2、对Z轴的力矩 (b)测量地磁场 测量方法同上，这次需要先上三者同向，然后同时改变扫场和水平场，使它们与地磁场的水平分量方向相反，此时： 因为垂直磁场正好抵消地磁场的垂直分量，从面板上的数字显示可知垂直场电流以及仪器说明书上提供亥姆霍兹线圈参数，可以确定地磁场垂直分量的数值，地磁场的水平分量和垂直分量的矢量和即为地磁场。 实验注意事项 (1)在实验过场中应注意区分 和 的共振谱线。当水平磁场不变时，频率高的为 的共振谱线，频率低的为 的共振谱线。当射频频率不变时，水平磁场大的为 的共振谱线，水平磁场小的为 的共振谱线； (2)为避免光线影响信号幅度和线型，主体单元应罩上遮光罩； (3)实验过程中，一定要避开其它带有铁磁性物质，强电磁场和大功率电源线。 * * 2、朗德因子的引入 电子轨道角动量 和自旋角动量 的合角动量 电子总磁矩： 它们之间的关系： 3、塞曼能级的形成： 原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互作用使能级进一步分裂，形成塞曼能级。这些能级级用磁量子数来表示： 和 相互作用能量表示如下： 能级间距为： 其中 为玻尔磁子。F表示原子总角动量量子数， 4、圆偏振光对铷原子的激发与光抽运 将角动量为 的左旋圆偏振光照射到态原子 后，根据光跃迁选择定则，基态中 能级上的粒子数会越来越多，形成粒子数偏极化。 高度粒子数偏极化是进行磁共振的有利条件。 6、塞曼能级间的磁共振 在垂直于产生塞曼分裂的磁场方向上加一个频率 的射频磁场，当满足 时发生磁共振。这样，粒子的偏极化程度降低， 再次发生光抽运，最终形成光抽运与磁共振的 动态平衡。 照射到样品上的偏振光，起到两个作用，一是产生光抽运效应，二是可以通过测量透射光强得到磁共振信号。当各能级上的粒子数相等时，样品对偏振光吸收最强，透射光最弱。当粒子数偏极化强度最强时，透射光最强。这里通过透射光强度的变化来得到磁共振信号，提高了测量的灵敏度。 7、光探测 实验内容 一、调节仪器 1、用指南针测量地磁场方向，使主体光轴与地磁场水平方向平行。 2、调节面板 ( a )确定水平线圈、竖直线圈和扫场线圈与其换向开关之间的对应关系； ( b )调节主体单元光学元件处于等高