光泵磁共振实验报告

6-2 光泵磁共振实验报告 by 物理学院 00904149 刘纩 实验时间：2012-3-15 实验仪器： TDS2002 示波器，光磁共振实验装置，DH807 型光磁共振实验装置电源及辅助源，YB1631 功率函数信号发生器。 实验目的： 1. 了解原子的能级、精细结构、超精细结构、塞曼能级分裂 2. 了解光抽运现象的原理和应用 3. 学会利用光抽运现象来研究原子超精细结构塞曼子能级的磁共振 实验原理： 铷是一价碱金属，其原子基态是5S1/2，即轨道角动量量子数L=0，自旋S=1/2，轨道角动量与自旋耦合后的电子总角动量为J=1/2。其最低激发态是5P1/2 和5P3/2 双重态，是由LS 耦合产生的，J 分别为1/2 与 3/2。在5P 和 5S 之间的跃迁为铷原子的第一条线，是双线，前者到5S1/2为 D1， 后者到5S1/2为 D2。 再考虑到电子总角动量（量子数为J）与原子核自旋（量子数为I）的耦合作用之后，原子总角动量的量子数F=I+J，I+J-1，…， I −J 。故而Rb85的基态有F=3 及 F=2，Rb87的基态有F=2 及 F=1。由F 量子数表征的能级称之为超精细结构能级。原子总角动量PF与总磁矩μ F之间的关系为： μ F=-gFe2m PF gF=gJF F+1 +J J+1 −I(I+1)2F(F+1) 其中 gJ=1+J J+1 −L L+1 +S(S+1)2J(J+1) 在磁场B0中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，磁量子数mF=F,F-1,… ,-F. 即分裂成2F+1 个能量间隔基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子能级之间（∆mF=±1）的能量差为： ∆EmF=gFμ BB0 在实验中，我们用频率为ν 的光来对原子进行激发时，满足hν =∆E 时即发生光吸收，且原子跃迁满足选择定则: ∆L=±1; ∆F=±1,0; ∆mF= +1 （入射光为σ+）0 （入射光为π）−1 （入射光为σ−） 所以，当入射光为左旋圆偏振时，原子只能发生磁量子数改变为+1的跃迁，当使用D1σ+时，则基态处于mF=+2 的粒子跃迁概率为零，而由激发态退激发回基态的粒子返回基态各子能级的概率是相等的，这样经过若干次循环之后，基态mF=+2 的子能级上的粒子数就会大大增加，相当于大量粒子被抽运上去，此即为光抽运效应。 在垂直于B0的方向上加一圆频率为ω1的射频场B1，当满足共振条件hω1/2π=∆EmF=gFμ BB0时，塞曼子能级之间发生磁共振。即由于射频场而发生感应跃迁，主要表现为mF=+2 上的原子跃迁到mF=+1，此过程与之前所述的光抽运效应达成动态平衡，此时由于处于mF=+2之外能级上的粒子增多，遂导致对D1σ+光的吸收增大。 实验步骤及对即时数据的...