光泵磁共振-物理学试验中心.PPT

光泵磁共振实验 物理与电子科学学院 仲明礼 光泵磁共振引言 这个实验方法是由法国物理学家Kastler在1950年首创的。 1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒（Alfred Kastler，1902—1984），以表彰他发现和发展了研究原子中光磁共振的光学方法－－光抽运的方法。 问题的提出 磁共振信号的特点是：分辨率高（共振频率很窄、很精细）灵敏度低（信号弱） 气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，仅用磁共振的方法难于观察。 怎样才能既保持了磁共振分辨率高的优点，同时又能提高气体的探测灵敏度? 光泵磁共振的基本思想 利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman能级上粒子分布的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann分布。（光抽运过程） 然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动，打破这种偏极化状态，使Zeeman能级上粒子重新分布。 （磁共振过程） 利用光探测器对抽运速率变化（光抽运信号）进行观察和测量，来探测研究原子Zeeman能级的超精细结构。 （光探测过程） 实验过程是光抽运与磁共振交替进行的过程 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因子及地磁场的大小。 二、实验原理 （一）、铷原子基态和最低激发态的能级的分裂情况 1、铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素： 85Rb和87Rb，二者的比例接近2比1。 2、铷原子基态：两种同位素的基态都是52S1/2 ， 即n=5（主量子数），L=0（轨道量子数），S=1/2（自旋量子数）， J=1/2（总角动量量子数） （L－S耦合 ） 3、铷原子最低激发态： 52P1/2， 52P3/2， L=1 铷原子的最低激发态（ L=1， S=1/2）在L—S耦合下，发生能级分裂，产生出精细结构。 轨道角动量： 自旋角动量： 总的角动量： 总角动量量子数： 最低激发态：L＝1，S＝1／2， J＝3／2，1／2 4、5P—5S能级间的跃迁产生出铷原子主线系的两条光谱线 5、电子的总磁矩?J与总角动量PJ的关系 通过L—S耦合形成了电子的总角动量PJ ，与此相联系的核外?J电子的总磁矩?J 为： 其中 就是著名的Longde因子，m是电子质量，e是电子电量。 6、核磁矩与电子的总磁矩相互作用造成能级的附加分裂，产生出超精细结构（J－I耦合） 核角动量PI 和核外电子的角动量PJ 耦合成一个更大的角动量，用符号 PF 表示： 对于52S1/2 ： 87Rb：I＝3／2， J＝1／2， F＝2，1 对于52P1/2 ： 87Rb：I＝3／2， J＝1／2， F＝2，1 核磁矩与电子的总磁矩相互作用的超精细结构 7、原子的总磁矩?F与总角动量PF的关系 通过J—I 耦合形成了原子的总角动量PF ，与此相联系的原子的总磁矩?F为： 其中 是对应于?F与 PF 关系的 Longde因子，m是电子质量，e是电子电量。 8、总磁矩与外场相互作用产生附加的能量 在有外静磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量 其中μB称为玻尔磁子 ＭＦ＝－Ｆ，－Ｆ＋１，…Ｆ－１，Ｆ，共有２Ｆ＋１个值 相邻的子能级的能量差为： 9、在有外磁场B的情况下，总磁矩将与外场相互作用，使原子产生附加的能量，产生出塞曼能级 （二）、光抽运过程（粒子数的偏极化过程） 87Rb原子受D1σ+左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则： 由于σ+光子的角动量为+h，故只能产生ΔMF＝+1的跃迁。 由 52P1/2到 52S1/