光磁共振 预习报告【DOC精选】.doc

光磁共振 预习报告 摘要: 光磁共振(光泵磁共振)利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。研究的对象是碱金属原子铷。本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上,掌握以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法,学会使用 DH807A 光程实验装置来观察光抽运信号,进而测定铷原子 两个同位素的超精细结构塞曼子能级的朗德 g 因子的测量。气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验应用光抽运、光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点。 关键词： 光抽送，塞曼能级分裂，偏极化，光磁共振 引言： 光磁共振由法国物理学家 Kastler 在 1950 年首创的.它的基本思想是利用光的抽运效应造 成原子基态 Zeeman 能级上粒子布居的偏极化,即偏离热平衡时所遵循的 Boltzmann 分布. 然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动, 使光的抽运速率变化. 通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构. 把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来 ,由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非 常弱,用磁共振的方法难于观察.本实验中应用了光探测的方法,既保持了磁共振分辨率高 的优点,同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级.此方法可用于基础物理研究,在 量子频标,精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值.由于光磁共振的应用价值, Kastler 获得了 1966 年的诺贝尔奖. 通过实验我们可以了解光泵磁共振的实验原理，加深对铷原子(Rb)超精细结构、光抽运及磁共振的理解。测量铷（Rb）原子的gF因子及地磁场的大小。 正文： 1、铷原子基态和最低激发态的能级: 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。在L—S耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，电子的总角动量J=L+S和L-S，即J=3/2和1/2，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm 原子的价电子在LS耦合中，其总角动量与电子总磁矩的关系为： ( 是郎德因子，J是电子总角动量量子数，L是电子的轨道量子数，S是电子自旋量子数。 核具有自旋和磁矩。核磁矩与上述电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。这附加分裂称为超精细结构。铷的两种同位素的自旋量子数I是不同的。核自旋角动量与电子总角动量耦合成原子的总角动量, 有。J—I耦合形成超精细结构能级，由F量子数标记，F=I+J、…,|I-J|。的I=3/2,它的基态J=1/2，具有F=2和F=1两个状态。的I=5/2,它的基态J=1/2，具有F=3和F=2两个状态。 整个原子的总角动量与总磁矩之间的关系可写为 其中的因子可按类似于求因子的方法算出。 考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，实际上为在方向上的投影，从而得 是对应于与关系的郎德因子。以上所述都是没有外磁场条件下的情况。 如果处在外磁场中，由于总磁矩与磁场的相互作用，超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级。用磁量子数来表示，则=F, F-1,…,-F, 即分裂成2F+1个子能级，其间距相等。与的相互作用能量为： 式中为玻耳磁子。各相邻塞曼子能级的能量差为： 2. 驰豫过程 在热平衡条件下，任意两个能级和上的粒子数之比都服从玻耳兹曼分布，式中是两个能级之差，分别是两个能级、上的原子数目，k是玻耳兹曼常数。由于能量差极小，近似地可以认为各子能级上的粒子数是相等的。光抽运增大了粒子布居数的差别，使系统处于非热平衡分布状态。 系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程称为驰豫过程。促使系统趋向平衡的机制是原子之间以及原子与其它物质之间的相互作用。在实验过程中要保持原子分布有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回玻耳兹曼分布的趋势。但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的碰撞（偏极化）。铷原子与磁性很弱的原子碰撞，对铷原子状态的扰动极小，不影响原子分布的偏极化。因此在铷样品泡中冲入10托的氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大6个数