光泵磁共振实验

精品文档---下载后可任意编辑一. 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 gF因子、地磁场垂直和水平重量。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 PL与自旋总角动量 PS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 PJ与原子总磁矩 μJ的关系为：μJ=–gJePJ/（2me） （13-1） J（J+1）—L（L+1）+S（S+1） gJ=1+ ─────────────── （13-2） 2J（J+1）但铷原子的核自旋 I≠0。所以核自旋角动量 PI与电子总角动量 PJ耦合成原子总角动量 PF，有PF=PJ+PI，耦合后的总量子数是 F=I+J，…，|I—J|。87Rb 的基态 J=1/2、I=3/2，有 F=2 和 F=1 两个状态。85Rb 的基态 J=1/2，I=5/2，则有 F=3 和 F=2 两个态。把 F 量子数表征的能级称为超精细结构能级。原子总角动量 PF与总磁矩 μF之间的关系（见本实验附录）为：μF=–gFePF/（2me） F（F+1）+J（J+1）—I（I+1） gF=gJ─────────────── （13-3） 2F（F+1）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子数 mF标定。mF=F，F—1，…，（—F），即分裂成 2F+1 个塞曼子能级。在磁场中铷原子基态和最低激发态的能级如图 13-1 所示。原子总磁矩 μF与磁场 B0相互作用能为（诸圣麟，1979）：e eE=—μFB0= gF──PFB0= gF──mFB0h （13-4） 2me 2me e e分别令：μB=──h（玻尔磁子）和 γ=—gF──（旋磁比），则有：2me 2meE=—γmFhB0=gFmFμBB0由此可知外磁场为 B0时，相邻塞曼子能级之间的能量差为：△E=gFμBB0 （13-5）可见在此磁场中△E 与 B0成正比，当 B0=0 时...